【进程与线程】System V IPC：消息队列（Message Queue）
System V 消息队列（Message Queue）
消息队列（Message Queue）是 System V IPC 机制中的一种 进程间通信（IPC） 方式，允许进程通过发送和接收格式化消息进行通信。
System V IPC：消息队列（Message Queue）
1> 先进先出的队列
因为消息队列允许根据消息类型非顺序读取：例如，可以指定接收特定类型的消息，
2> 消息队列的格式： 消息类型 + 消息正文
使用ipcs命令时显示的列:
key msqid owner perms used-bytes messages
已经使用的字节数 当前消息队列中未读的消息数
key:创建消息队列时使用的键值。
msqid:消息队列的标识符。
owner:拥有者。
perms:权限。
used-bytes:已使用的字节数。
messages:队列中的消息数量。
覆盖消息队列的基本操作：
创建或获取消息队列（msgget）
发送消息（msgsnd）
接收消息（msgrcv）
控制消息队列（msgctl）
消息队列是先进先出的队列，实际中消息队列允许根据消息类型进行读取，不完全是FIFO。消息的格式为：消息类型加消息正文 ——> 例如，在C语言中如何使用struct来定义消息，其中必须包含一个长整型的消息类型字段，然后是消息正文。
消息队列的特点：内核持久性，即使进程结束，消息队列仍然存在，除非显式删除；权限管理，类似文件权限，如何设置读写权限。消息队列的优点在于可以异步通信，数据有结构，缺点是需要内核操作，效率不如共享内存，且存在系统限制（如最大消息数、消息大小限制）。“先进先出的队列”：因为消息队列允许根据消息类型非顺序读取。例如，可以指定接收特定类型的消息，或者按类型优先级读取。因此，消息队列并不是严格的FIFO，但默认情况下可能是按发送顺序接收的，除非指定了不同的消息类型优先级。
一、消息队列的核心特性
- 消息结构
- 每条消息包含两个部分：
- 消息类型（
long mtype）：用于标识消息的优先级或类别。 - 消息正文（用户自定义数据）：任意长度的数据字段。
- 消息类型（
- 消息结构示例：
- 每条消息包含两个部分：
struct msgbuf {
long mtype; // 消息类型（必须 > 0）
char mtext[100]; // 消息正文（长度可自定义）
};
- 先进先出（FIFO）与优先级读取
- 默认FIFO：消息按发送顺序排队。
- 按类型读取：接收时可指定消息类型，实现优先级或选择性读取。
- 内核持久性
- 消息队列由内核维护，生命周期独立于进程。
- 需显式删除（
msgctl(..., IPC_RMID)），否则持续存在直至系统重启。
二、消息队列的管理与操作
- 创建或获取消息队列
使用 msgget() 创建或获取消息队列标识符：
#include <sys/msg.h>
key_t key = ftok("/tmp", 'A'); // 生成唯一键值
int msqid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
key：唯一标识消息队列的键值（通过ftok()生成）。msgflg：权限标志（如IPC_CREAT | 0666）。
- 发送消息
使用 msgsnd() 向队列发送消息：
struct msgbuf msg;
msg.mtype = 1; // 消息类型
strcpy(msg.mtext, "Hello Message Queue");
msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); // 阻塞发送
msqid：消息队列标识符。msgp：指向消息结构体的指针。msgsz：消息正文长度（不包含mtype）。msgflg：标志（如IPC_NOWAIT非阻塞发送）。
- 接收消息
使用 msgrcv() 从队列接收消息：
struct msgbuf msg;
ssize_t bytes = msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 1, 0); // 接收类型为1的消息
printf("Received: %s\n", msg.mtext);
msgtyp：指定接收的消息类型：=0：接收队列中第一条消息。>0：接收类型等于 msgtyp 的第一条消息。<0：接收类型 ≤ |msgtyp| 的最小类型消息。
- 控制消息队列
使用 msgctl() 管理消息队列：
msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL); // 删除消息队列
cmd：控制命令（如IPC_STAT获取状态，IPC_RMID删除队列）。
三、消息队列的状态查看
通过 ipcs -q 命令查看系统中的消息队列信息：
ipcs -q
------ Message Queues --------
key msqid owner perms used-bytes messages
0x61005a3d 12345 user 666 1024 5
key：消息队列的唯一键值。msqid：消息队列的标识符。owner：队列拥有者。perms：权限（八进制格式，如 666 表示所有用户可读写）。used-bytes：队列中所有消息占用的总字节数。messages：队列中当前未读的消息数量。
四、消息队列的底层实现
- 内核数据结构
struct msg_queue：内核为每个消息队列维护的结构体，包含消息链表、权限、统计信息等。- 消息存储：消息以链表形式存储，按类型和到达时间排序。
- 同步与阻塞机制
- 发送阻塞：若队列满（受系统限制
msgmnb），发送进程阻塞或返回错误。 - 接收阻塞：若队列空或指定类型消息不存在，接收进程阻塞或返回错误。
- 发送阻塞：若队列满（受系统限制
- 系统限制
msgmax：单条消息的最大长度（通过sysctl kernel.msgmax查看）。msgmnb：队列的最大字节数。msgmni：系统允许的最大消息队列数。
代码示例：
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int main()
{
//1- 获得键值key
key_t key = ftok("/",0x3);
if(key == -1)
{
perror("ftok");
return -1;
}
//2- 利用key 创建/打开消息队列
//int msgget(key_t key, int msgflg);
int msgid = msgget(key,IPC_CREAT | 0666);
if(msgid == -1)
{
perror("msgget");
return -1;
}
printf("key = %#x,msgid = %d\n",key,msgid);
//查看消息队列的属性
struct msqid_ds msg;
int ret = msgctl(msgid,IPC_STAT,&msg);
if(ret == -1)
{
perror("msgctl");
return -1;
}
#if 0
struct msqid_ds {
struct ipc_perm msg_perm; /* Ownership and permissions */
time_t msg_stime; /* Time of last msgsnd(2) 消息队队列最后发送的时间 */
time_t msg_rtime; /* Time of last msgrcv(2) 消息队队列最后接受的时间*/
time_t msg_ctime; /* Time of last change消息队队列最后更改的时间 */
unsigned long __msg_cbytes; /* Current number of bytes in
queue (nonstandard) 消息队列当前的字节数 */
msgqnum_t msg_qnum; /* Current number of messages
in queue消息队列当前的消息数 */
msglen_t msg_qbytes; /* Maximum number of bytes
allowed in queue 消队列允许的最大字节数*/
pid_t msg_lspid; /* PID of last msgsnd(2) 最后调用msgsnd函数的进程PID*/
pid_t msg_lrpid; /* PID of last msgrcv(2) 最后调用msgrcv函数的进程PID*/
};
#endif
printf("__msg_cbytes = %lu\n",msg.__msg_cbytes);
printf("msg_qnum = %ld\n",msg.msg_qnum);
printf("msg_qbytes = %lu\n",msg.msg_qbytes);
return 0;
}
五、代码示例：进程间通信
发送进程（sender.c）
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
struct msgbuf {
long mtype;
char mtext[100];
};
int main() {
key_t key = ftok("/tmp", 'A');
int msqid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
struct msgbuf msg;
msg.mtype = 1;
strcpy(msg.mtext, "Hello from Sender!");
msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);
printf("Sender sent: %s\n", msg.mtext);
return 0;
}
接收进程（receiver.c）
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
struct msgbuf {
long mtype;
char mtext[100];
};
int main() {
key_t key = ftok("/tmp", 'A');
int msqid = msgget(key, 0666);
struct msgbuf msg;
msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 1, 0);
printf("Receiver received: %s\n", msg.mtext);
msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL); // 删除消息队列
return 0;
}
运行步骤：
- 编译并运行发送进程：
gcc sender.c -o sender
./sender
- 编译并运行接收进程：
gcc receiver.c -o receiver
./receiver
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 支持消息类型和优先级 | 内核操作，性能低于共享内存 |
| 数据有结构，易解析 | 系统限制可能影响扩展性 |
| 异步通信，无需实时同步 | 生命周期需显式管理 |
消息队列适用的场景：1. 结构化数据通信：需要按类型处理消息的场景（如任务分发）。2. 跨进程异步通知：生产者-消费者模型。3. 替代简单网络通信：同一主机内进程间的高效通信。
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