9、Linux C 消息队列和信号灯

一. 消息队列

1.1 发送端

1. 申请 Key

2. 打开/创建消息队列：msgget

3. 向消息队列发送消息：msgsnd

1.2 接收端

1. 打开/创建消息队列：msgget

2. 从消息队列接收消息：msgrcv

3. 控制（删除）消息队列：msgctl

---

1.3 打开/创建消息队列

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
​
int msgget(key_t key, int msgflg);

1.3.1 参数说明

• key：和消息队列关联的 key，可使用 IPC_PRIVATE 或 ftok 生成。

• msgflg：标志位，通常为 IPC_CREAT | 0666。

  • IPC_CREAT：若消息队列不存在则创建，存在则打开。

1.3.2 返回值

• 成功：返回消息队列的 ID。

• 失败：返回 -1。

1.3.3 示例代码

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <unistd.h>
​
int main() {
    key_t key = ftok("msgqueue", 'a'); // 生成 key
    if (key == -1) {
        perror("ftok failed");
        return 1;
    }
​
    int msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666); // 打开/创建消息队列
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget failed");
        return 1;
    }
​
    printf("消息队列已创建，ID: %d\n", msgid);
    return 0;
}

---

1.4 发送消息

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
​
int msgsnd(int msgqid, const void *msgp, size_t size, int msgflg);

1.4.1 参数说明

• msgqid：消息队列 ID。

• msgp：消息缓冲区地址。

• size：消息正文长度。

• msgflg：标志位，可为 0 或 IPC_NOWAIT。

  • 0：消息队列满时阻塞，直到消息写入。

  • IPC_NOWAIT：消息队列满时立即返回。

1.4.2 返回值

• 成功：返回 0。

• 失败：返回 -1。

1.4.3 示例代码

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <unistd.h>
​
typedef struct {
    long msg_type; // 消息类型
    char buf[128]; // 消息内容
} msgT;
​
int main() {
    key_t key = ftok("msgqueue", 'a'); // 生成 key
    if (key == -1) {
        perror("ftok failed");
        return 1;
    }
​
    int msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666); // 打开/创建消息队列
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget failed");
        return 1;
    }
​
    msgT msg;
    msg.msg_type = 1;
    strcpy(msg.buf, "你好，这是消息队列发送的消息！");
​
    if (msgsnd(msgid, &msg, sizeof(msg.buf), 0) == -1) {
        perror("msgsnd failed");
        return 1;
    }
​
    printf("消息已发送到消息队列\n");
    return 0;
}

---

1.5 消息格式

typedef struct {
    long msg_type; // 消息类型
    char buf[128]; // 消息内容
} msgT;

1.5.1 注意事项

1. 消息结构必须包含 long 类型的 msg_type 字段。

2. 消息长度不包括 msg_type 的长度。

---

1.6 消息的接收

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
​
int msgrcv(int msgqid, void *msgp, size_t size, long msgtype, int msgflg);

1.6.1 参数说明

• msgqid：消息队列 ID。

• msgp：消息缓冲区地址。

• size：指定接收的消息长度。

• msgtype：指定接收的消息类型。

  • msgtype=0：接收第一条消息，任意类型。

  • msgtype>0：接收第一条指定类型的消息。

  • msgtype<0：接收类型小于等于绝对值的消息。

• msgflg：标志位。

  • 0：阻塞式接收。

  • IPC_NOWAIT：如果没有返回条件的消息立即返回，此时错误码为 ENOMSG。

  • IPC_EXCEPT：与 msgtype 配合使用返回队列中第一个类型不为 msgtype 的消息。

1.6.2 返回值

• 成功：返回收到的消息长度。

• 失败：返回 -1。

1.6.3 示例代码

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
​
typedef struct {
    long msg_type; // 消息类型
    char buf[128]; // 消息内容
} msgT;
​
int main() {
    key_t key = ftok("msgqueue", 'a'); // 生成 key
    if (key == -1) {
        perror("ftok failed");
        return 1;
    }
​
    int msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666); // 打开/创建消息队列
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget failed");
        return 1;
    }
​
    msgT msg;
    if (msgrcv(msgid, &msg, sizeof(msg.buf), 1, 0) == -1) {
        perror("msgrcv failed");
        return 1;
    }
​
    printf("收到消息：类型=%ld，内容=%s\n", msg.msg_type, msg.buf);
    return 0;
}

---

1.7 消息队列的控制

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
​
int msgctl(int msgqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

1.7.1 参数说明

• msgqid：消息队列 ID。

• cmd：要执行的操作。

  • IPC_STAT：获取消息队列状态。

  • IPC_SET：设置消息队列权限。

  • IPC_RMID：删除消息队列。

• buf：存放消息队列属性的地址。

1.7.2 返回值

• 成功：返回 0。

• 失败：返回 -1。

1.7.3 示例代码

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    key_t key = ftok("msgqueue", 'a'); // 生成 key
    if (key == -1) {
        perror("ftok failed");
        return 1;
    }

    int msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666); // 打开/创建消息队列
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget failed");
        return 1;
    }

    // 删除消息队列
    if (msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
        perror("msgctl failed");
        return 1;
    }

    printf("消息队列已删除\n");
    return 0;
}

二、信号灯/信号量（semaphore）

2.1 概念

信号灯是不同进程间或一个进程内部不同线程间同步的机制。类似我们的 PV 操作，适用于生产者和消费者场景。

2.1.1 PV 操作

• P(S)：申请资源。

  • 若信号量值大于 0，则减 1 并继续运行。

  • 若信号量值为 0，则任务阻塞。

• V(S)：释放资源。

  • 信号量值加 1。

  • 若有任务等待资源，则唤醒一个任务。

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2.2 三种信号灯

1. Posix 有名信号灯

2. Posix 无名信号灯（Linux 只支持线程同步）

3. System V 信号灯

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2.3 有名信号灯

2.3.1 打开

sem_t *sem_open(const char *name, int oflag);
sem_t *sem_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value);

2.3.1.1 参数说明

• name：信号灯的名字。

• oflag：打开方式，常用 O_CREAT。

• mode：文件权限，常用 0666。

• value：信号量值，二元信号灯值为 1。

2.3.2 关闭

int sem_close(sem_t *sem);

2.3.3 删除

int sem_unlink(const char *name);

2.3.4 示例代码

#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    sem_t *sem = sem_open("mysem", O_CREAT, 0666, 1); // 打开信号灯
    if (sem == SEM_FAILED) {
        perror("sem_open failed");
        return 1;
    }

    // 使用信号灯...

    if (sem_close(sem) == -1) {
        perror("sem_close failed");
        return 1;
    }

    if (sem_unlink("mysem") == -1) {
        perror("sem_unlink failed");
        return 1;
    }

    printf("信号灯已创建并删除\n");
    return 0;
}

---

2.4 无名信号灯

2.4.1 初始化

int sem_init(sem_t *sem, int shared, unsigned int value);

2.4.1.1 参数说明

• sem：需要初始化的信号灯变量。

• shared：指定为 0，表示信号量只能由初始化进程使用。

• value：信号量值。

2.4.2 销毁

int sem_destroy(sem_t *sem);

2.4.3 示例代码

#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    sem_t sem;
    if (sem_init(&sem, 0, 1) == -1) { // 初始化信号灯
        perror("sem_init failed");
        return 1;
    }

    // 使用信号灯...

    if (sem_destroy(&sem) == -1) {
        perror("sem_destroy failed");
        return 1;
    }

    printf("无名信号灯已初始化并销毁\n");
    return 0;
}

---

2.5 信号灯操作

2.5.1 P 操作（获取资源）

int sem_wait(sem_t *sem);

• 若信号量为 0，调用线程挂起，直到有空闲资源。

2.5.2 V 操作（释放资源）

int sem_post(sem_t *sem);

• 若无等待线程，信号量值加 1。

• 若有等待线程，唤醒一个线程。

2.5.3 示例代码

#include <stdio.h>
#include <semaphore.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

sem_t sem;

void *thread_function(void *arg) {
    printf("线程等待信号...\n");
    sem_wait(&sem); // P 操作
    printf("线程收到信号，继续执行...\n");
    return NULL;
}

int main() {
    if (sem_init(&sem, 0, 0) == -1) { // 初始化信号灯
        perror("sem_init failed");
        return 1;
    }

    pthread_t thread;
    pthread_create(&thread, NULL, thread_function, NULL);

    sleep(1); // 主线程等待
    printf("主线程发送信号...\n");
    sem_post(&sem); // V 操作

    pthread_join(thread, NULL);
    sem_destroy(&sem);
    return 0;
}

---

2.6 System V 信号灯

2.6.1 创建/打开

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

2.6.1.1 参数说明

• key：ftok 生成的 key 值。

• nsems：信号灯数目。

• semflg：访问权限，常用 IPC_CREAT | 0666。

2.6.1.2 返回值

• 成功：返回信号灯集 ID。

• 失败：返回 -1。

2.6.2 操作

int semop(int semid, struct sembuf *ops, size_t nops);

2.6.2.1 参数说明

• semid：信号灯集 ID。

• ops：操作数组。

• nops：操作数目。

2.6.2.2 结构体 sembuf

struct sembuf {
    short sem_num; // 要操作的信号灯的编号
    short sem_op;  // 1：释放资源，V 操作；-1：分配资源，P 操作
    short sem_flg; // 0（阻塞）, IPC_NOWAIT, SEM_UNDO
};

2.6.3 示例代码

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    key_t key = ftok("semaphore", 'a'); // 生成 key
    if (key == -1) {
        perror("ftok failed");
        return 1;
    }

    int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666); // 创建信号灯
    if (semid == -1) {
        perror("semget failed");
        return 1;
    }

    struct sembuf sops;
    sops.sem_num = 0;
    sops.sem_op = -1; // P 操作
    sops.sem_flg = 0;

    if (semop(semid, &sops, 1) == -1) {
        perror("semop failed");
        return 1;
    }

    printf("信号灯 P 操作成功\n");

    sops.sem_op = 1; // V 操作
    if (semop(semid, &sops, 1) == -1) {
        perror("semop failed");
        return 1;
    }

    printf("信号灯 V 操作成功\n");

    // 删除信号灯
    if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1) {
        perror("semctl failed");
        return 1;
    }

    printf("信号灯已删除\n");
    return 0;
}

---