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Linux系统编程 | IPC对象---消息队列

news 来源：原创 2025/5/23 5:20:01

        在Linux系统编程的进程间通信部分中，前面几篇博客已经对管道通信、signal信号做了较为完善的梳理总结，接下来将对进程间通信部分的IPC对象进行梳理，初步预计分为IPC对象的消息队列、共享内存、信号量三个小部分进行讲解梳理。如果对博主前面的文章感兴趣的网友，欢迎访问我的Linux系统编程专栏进行查阅交流。

系统编程_奔跑的蜗牛！的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_49337111/category_12952742.html?spm=1001.2014.3001.5482

1、IPC对象

(1)、什么是IPC对象

        IPC对象是活动在内核级别的一种进程间通信的工具。各种不同的IPC其实是在不同时期逐步引入的，在UNIX伯克利版本system-V（念作系统五，V是罗马数字，是Unix伯克利分支的版本号）中引入的三种通信方式（消息队列、共享内存和信号量组）被称为IPC对象，它们有较多共同的特性：

  • 在系统中使用键值（KEY）来唯一确定，类似于文件系统中的文件路径(绝对路径)。
  • 当某个进程创建（或打开）一个IPC对象时，将会获得一个整型ID，类似于文件描述符。
  • IPC对象属于系统，而不是进程，因此在没有明确删除操作的情况下，IPC对象不会因为进程的退出而消失。

        如果需要使用IPC对象实现进程之间的通信，首先必须为IPC对象申请对应的资源。比如，如果要使用消息队列来通信，那么就必须先申请消息队列对应的 key 值 和 ID 号。

(2)、查看IPC对象

        ipcs -a

Snail@ubuntu:~/Desktop/process$ ipcs -a------ Message Queues --------            //消息队列
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages    ------ Shared Memory Segments --------    //共享内存
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0x00000000 9          Snail      600        524288     2          dest         ------ Semaphore Arrays --------//信号量
key        semid      owner      perms      nsems     Snail@ubuntu:~/Desktop/process$

        key值：类似于 文件的路径名

        ID号：类似于文件描述符

(3)、删除IPC对象

        删除消息队列：

                ipcrm -q 消息队列的key值

                ipcrm -q 消息队列的ID值

        删除共享内存：

                ipcrm -m 共享内存的key值

                ipcrm -m 共享内存的ID值

        删除信号量：

                ipcrm -s 信号量的key值

                ipcrm -s 信号量的ID值

2、消息队列基础

        消息队列是system-V三种IPC对象之一，其最主要的特征是允许发送的数据携带类型，具有相同类型的数据在消息队列内部排队，读取的时候也要指定类型，然后依次读出数据。这使得消息队列用起来就像一个多管道集合，如下图所示：

        由于每个消息都携带有类型，相同的类型自成一队，因此读取方可以根据类型来“挑选”不同的队列，也因此MSG适用于所谓“多对一”的场景，经典案例是系统日志：多个不同的、不相关的进程向同一管道输入数据。

3、消息队列API

(1)、ftok

//函数原型
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);//函数功能
​​生成一个唯一的 key 值​​，用于标识 IPC 资源//函数参数
pathname：一个已经存在的文件路径，用于计算 key 值
proj_id：​​项目 ID，用于区分不同的 IPC 资源//函数返回值
成功返回key值
失败返回-1，并设置errno

(2)、msgget

//函数原型
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);//函数功能
创建或获取一个消息队列，用于进程间通信；
如果指定的消息队列不存在且 msgflg 包含 IPC_CREAT，则创建一个新的消息队列；
如果消息队列已存在，则直接返回其标识符（msgid）。//函数参数
key：消息队列的唯一标识符
msgflg：控制消息队列的创建和访问权限//函数返回值
成功返回消息队列的标识符（msgid）
失败返回-1，并设置errno

(3)、msgsnd

//函数原型
#include <sys/msg.h>
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);//函数功能
​​向消息队列中发送一条消息​​。
消息队列由 msqid 标识，消息内容由 msgp 指向的结构体提供。
如果消息队列已满，且 msgflg 包含 IPC_NOWAIT，则立即返回错误；否则阻塞等待队列有空闲空间。//函数参数
msqid：消息队列标识符
msgp：指向要发送的消息结构体的指针，结构体必须包含 long mtype 成员（消息类型）
msgsz：消息正文的大小（不包括 mtype 的大小）
msgflg：控制发送行为： 0：默认，如果队列满则阻塞等待，IPC_NOWAIT：如果队列满则立即返回错误（EAGAIN）//函数返回值
成功返回0
失败返回-1，并设置errno

(4)、msgrcv

//函数原型
#include <sys/msg.h>
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,
int msgflg);//函数功能
从消息队列中读取数据（接收数据）//函数参数
msqid：消息队列标识符
msgp：指向接收消息的缓冲区（必须是 struct msgbuf 或兼容结构）
msgsz：要接收的消息正文的最大大小（不包括 mtype）
msgtyp：消息类型筛选条件> 0：接收第一条类型为 msgtyp​的消息。= 0：接收​​队列中的第一条消息​（忽略类型）。< 0：读取队列中类型值 ≤ |msgtyp| 的最小类型的消息（优先级队列）。
msgflg：控制接收行为：0：默认，如果队列为空则阻塞等待。IPC_NOWAIT：如果队列为空则立即返回错误（ENOMSG）。 MSG_NOERROR：如果消息正文超过 msgsz，则截断并返回实际大小（否则返回错误 E2BIG）。MSG_EXCEPT：接收​​第一条类型 不等于 msgtyp​​ 的消息（仅当 msgtyp > 0 时有效）。//函数返回值
返回接收到的消息正文的实际大小
失败返回-1，并设置errno

(5)、msgctl

//函数原型
#include <sys/msg.h>
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);//函数功能
​​控制消息队列的行为​​，执行各种管理操作，如获取/设置队列属性、删除队列等。//函数参数
msqid：消息队列标识符
cmd：指定要执行的操作命令IPC_STAT：获取消息队列的当前状态（填充 buf）IPC_SET：设置消息队列的属性（需提供 buf）IPC_RMID：删除消息队列（buf 可为 NULL）
buf：指向 msqid_ds 结构体的指针，用于读取或设置队列属性。//函数返回值
成功返回0
失败返回-1，并设置errno

4、程序举例

        消息队列实现两个进程间互发互收。

(1)、消息队列进程1

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/wait.h>//进程1 ：  往 消息队列 中 发送数据//自定义的消息队列的数据结构体
struct msgbuf{long mtype;          //数据的编号/类型char mtext[1024]; //数据的正文
};void signalHandle(int signum)
{printf("进程[%d] 收到信号%d\n", getpid(), signum);exit(0); //退出进程
}int main(int argc, char **argv)
{signal(SIGUSR1,signalHandle);//1、确定 文件路径名 ---获取消息队列的key值key_t key = ftok(".", 100);//2、根据文件路径名，打开文件 文件不存在则创建 得到fd ---根据key值 获取消息队列的ID，如果消息队列不存在则创建int msgid = msgget(key,IPC_CREAT|0666);if(msgid == -1){perror("msgget error");return -1;}printf("消息队列 key:%#x msgid:%d\n",key,msgid); //0xpid_t id = fork();if(id>0)//父进程  ---发送数据   10{//3、往文件中写入数据 --------往消息队列中 发送数据struct msgbuf data;while(1){memset(&data,0,sizeof(data));scanf("%s",data.mtext); //数据的正文data.mtype = 10; //数据的编号/类型int ret = msgsnd(msgid, &data,strlen(data.mtext),0);if(ret == -1){perror("msgsnd error");return -1;}//退出处理if(!strcmp(data.mtext,"exit")){//退出之前，通知子进程也退出 kill(id,SIGUSR1);break;}}            }else if(id == 0)//子进程 ---接收数据   100{struct msgbuf data;while(1){memset(&data, 0, sizeof(data));msgrcv(msgid, &data, sizeof(data.mtext), 100,0);printf("pid:[%d]\tmtype:[%ld]\trecv:%s\n", getpid(), data.mtype, data.mtext);//接收到退出，告诉父进程 也要退出if(!strcmp(data.mtext,"exit")){kill(getppid(), SIGUSR1);break;}}exit(0);}waitpid(-1,NULL, 0);return 0;
}

(2)、消息队列进程2

#include<stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>//进程2 //自定义的消息队列的数据结构体
struct msgbuf{long mtype;            //数据的编号/类型char mtext[1024];     //数据的正文
};void signalHandle(int signum)
{printf("进程[%d] 收到信号%d\n", getpid(), signum);exit(0); //退出进程
}int main(int argc, char **argv)
{signal(SIGUSR1,signalHandle);//1、确定 文件路径名 ---获取消息队列的key值key_t key = ftok(".", 100);//2、根据文件路径名，打开文件 文件不存在则创建 得到fd ---根据key值 获取消息队列的ID，如果消息队列不存在则创建int msgid = msgget(key, IPC_CREAT|0666);if(msgid == -1){perror("msgget error");return -1;}printf("消息队列 key:%#x msgid:%d\n", key, msgid); //0xpid_t id = fork();if(id>0)//父进程  ---发送数据   100{//3、往文件中写入数据 --------往消息队列中 发送数据struct msgbuf data;while(1){memset(&data, 0, sizeof(data));scanf("%s", data.mtext); //数据的正文data.mtype = 100;          //数据的编号/类型int ret = msgsnd(msgid, &data, strlen(data.mtext), 0);if(ret == -1){perror("msgsnd error");return -1;}//退出处理if(!strcmp(data.mtext,"exit")){//退出之前，通知子进程也退出 kill(id,SIGUSR1);break;}}}else if(id == 0)//子进程 --接收数据   10{struct msgbuf data;while(1){memset(&data, 0, sizeof(data));msgrcv(msgid, &data, sizeof(data.mtext), 10, 0);printf("pid:[%d]\tmtype:[%ld]\trecv:%s\n", getpid(), data.mtype, data.mtext);//接收到退出，告诉父进程 也要退出if(!strcmp(data.mtext, "exit")){kill(getppid(), SIGUSR1);break;}}exit(0);}waitpid(-1, NULL, 0);return 0;
}

(3)、进程消息队列通信演示

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