进程通信之消息队列

在前面，我们了解进程通信的概念以及常见的进程通信方式，我做个整理如下图：

我们继续通过实例来学习进程通信，今天主要是讲消息队列是如何实现进程通信的，代码均在Ubuntu16.04下测试。

---

如上图所示，消息队列是一种间接的通信方式，它提供了一种从一个进程向另一个进程发送一个数据块的方法。 每个数据块都被认为含有一个类型，接收进程可以独立地接收含有不同类型的数据结构。我们可以通过发送消息来避免命名管道的同步和阻塞问题。但是消息队列与命名管道一样，每个数据块都有一个最大长度的限制。

注意消息队列和管道的不同点：

1. 消息队列是双向通信，管道一般都是单向通信
2. 消息队列是基于消息（因此有类型这么一说）的，而管道是基于字节流的
3. 消息队列的生命周期是随内核存在而存在，而非管道随进程存在

消息队列一般会涉及到这么些函数：

对于这些，我们可以在Linux下同man命令获取信息，我们简要介绍一下这些函数。

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

msgget用于创建一个新的消息队列或者打开一个现存的消息队列。

其中key用于区别不同的消息队列，这样两个不相关进程可以通过事先约定的key值通过消息队列进行消息收发。例如进程A向key消息队列发送消息，进程B从Key消息队列读取消息。一般来说，key可通过ftok函数获得。

而msgflg则是一个权限标志，表示消息队列的访问权限，它与文件的访问权限一样。它一般指定两个参数：IPC _ CREAT和IPC _ EXCL，如果单独用IPC _ CREAT时候，它就创建一个消息队列，如果该消息队列已存在则打开，如果指定IPC _ CREAT和IPC _ EXCL，如果该消息队列存在的话则出错。
注意IPC _ EXCL单独使用无意义，他只有和IPC _ CREAT一起使用才有意义，保证消息队列是新建的而非已有的！

该函数返回一个以key命名的消息队列的标识符（非零整数），失败时返回-1。

因此创建create _ msg _ queue或者获取get _ msg _ queue一个消息队列可以这么写：

int msg_queue(int msgflag){    key_t key = ftok(PATH, PROJ_ID);    if (key == -1)    {        printf("ftok failure\n");        exit(-1);    }    int msg_queue_id = msgget(key, msgflag | 0666); //消息队列的权限为0666    if (msg_queue_id == -1)    {        printf("queue_id failure\n");        exit(-2);    }    return msg_queue_id;}int get_msg_queue(){    return msg_queue(IPC_CREAT);}int create_msg_queue(){    return msg_queue(IPC_CREAT | IPC_EXCL);}

对于这个消息队列，我采用是server端创建消息队列，client获取消息队列，这样子，他们两就可以进行进程通信了。我们可以用ipcs -q命令查看消息队列，如下图：

消息队列的id为32768，而client和server端打印也符合要求。

注意一点，当我们执行完程序后，用ipcs -q依旧能查看消息队列，此时client和server进程已经结束，因此也验证我们前面所说的，消息队列的生命周期是随内核存在的。

那么，这样一来问题就来了，如果我们进程中不去显式销毁消息队列，显然消息队列会越来越多占用资源，因此，我们需要删除消息队列，这里有两个办法，一是使用ipcrm -q msqid命令删除，二是采用函数调用删除。我们分别说一下。

而更多的，我们采用调用函数销毁消息队列，而在这里，需要调用下面这个函数：

int msgctl (int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf); //消息队列属性控制 参数：    msqid：消息队列的标识符。    cmd：执行的控制命令，即要执行的操作。包括以下选项：        IPC_STAT：读取消息队列属性。取得此队列的msqid_ds 结构，并将其存放在buf指向的结构中。         IPC_SET ：设置消息队列属性。        IPC_RMID：删除消息队列。        IPC_INFO：读取消息队列基本情况。此命令等同于 ipcs 命令。        这 4 条命令（IPC_STAT、IPC_SET、IPC_INFO 和 IPC_RMID）也可用于信号量和共享存储。    buf：临时的 msqid_ds 结构体类型的变量。用于存储读取的消息队列属性或需要修改的消息队列属性。举例：msgctl(qid, IPC_RMID, NULL)  //删除消息队列

因此删除代码就很好写了：

void destroy_msg_queue(int msqid){    int ret = msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);    if (ret == -1)    {        fprintf(stderr, "destroy_msg_queue failure\n");        exit(-3);    }}

创建好一个消息队列，client和server两个也都得到消息队列ID，下面就开始我们的进程通信，也就是发送信息，接收信息。

下面介绍msgsnd，msgrcv函数。

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg); //将消息送入消息队列参数：      msqid：消息队列的标识符。    msgp：指向消息缓冲区的指针，此位置用来暂时存储发送和接收的消息，是一个用户可定义的通用结构，形态如下struct msgbuf {    long mtype;     /* 消息类型，必须 > 0 */    char mtext[size];  /* 消息文本 */};    msgsz：消息的大小。    msgflg：用来指明进程在队列数据满(msgsnd)或空(msgrcv)的情况下所应采取的行动。        如果设置为 IPC_NOWAIT，则在消息队列已满时不发送消息并且调用进程立即返回错误信息EAGAIN。        如果设置为 0，则调用进程阻塞直至消息队列不为满。    size:用户可指定大小  返回说明：  成功执行时，msgsnd()返回0, 失败返回-1举例：msgsnd(g_msg_id,&msg_snd,sizeof(msg_snd.msg_item),IPC_NOWAIT); //非阻塞发送消息    ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg); //从消息队列读取信息参数：    msgtyp:    msgtyp = 0：收取队列中的第一条消息，任意类型。    msgtyp > 0：收取第一条 msgtyp 类型的消息。  这个能判断自己该不该收这个消息是不是想要的发信人发来的    msgtyp < 0：收取第一条最低类型（小于或等于 msgtyp 的绝对值）的消息。     其他参数参考msgsnd函数。返回说明：  成功执行时，msgrcv()返回0, 失败返回-1举例：msgrcv(msgid,&msg_rbuf,sizeof(msg_rbuf.msg_item),10,0); //阻塞接收

---

实例

介绍完以上函数特性，我们写一个进程通信的简单实例，类似一个小型聊天程序，基于消息队列实现。

如下图：

它有客户端client和服务器端server，初始化，我们让server端建立消息队列，client获取该消息队列，然后两者进行相互通信，比如client发出信息，server接受信息，然后server发送信息，client接受信息。

注意几点：

1. 消息队列是由server端建立和销毁的，client端获取改消息队列，因此，必须先运行./ server然后运行./client
2. 默认是client先发信息，server端获取到消息，然后server发送信息，client接受这样子体现交互性

代码如下：

Com.h声明

#ifndef __MSG_QUEUE__#define __MSG_QUEUE__#include<unistd.h>#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/msg.h>#include<string.h>#define CLIENT_TYPE 1#define SERVER_TYPE 2#define PATH "./"#define PROJ_ID 256 #define TEXT_SIZE 512  struct MsgBuf{    long mtype;    char mtext[TEXT_SIZE];};typedef struct MsgBuf MsgBuf;int msg_queue();int get_msg_queue();int create_msg_queue();int send_msg(int msg_queue_id, MsgBuf* msgbuf, long type);int receive_msg(int msg_queue_id, MsgBuf* msgbuf, long type);void destroy_msg_queue(int msqid);#endif 

Com.c对Com.h实现

#include "com.h"int msg_queue(int msgflag){    key_t key = ftok(PATH, PROJ_ID);    if (key == -1)    {        fprintf(stderr, "ftok failure\n");        exit(-1);    }    int msg_queue_id = msgget(key, msgflag | 0666);    if (msg_queue_id == -1)    {        fprintf(stderr, "queue_id failure\n");        exit(-2);    }    return msg_queue_id;}int get_msg_queue(){    return msg_queue(IPC_CREAT);}int create_msg_queue(){    return msg_queue(IPC_CREAT | IPC_EXCL);}void destroy_msg_queue(int msqid){    int ret = msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);    if (ret == -1)    {        fprintf(stderr, "destroy_msg_queue failure\n");        exit(-3);    }}int send_msg(int msg_queue_id, MsgBuf* msgbuf, long type){    msgbuf->mtype = type;    msgsnd(msg_queue_id, (const void*)msgbuf, sizeof(msgbuf->mtext), 0); //以阻塞方式发送}int receive_msg(int msg_queue_id, MsgBuf* msgbuf, long type){    msgbuf->mtype = type;    msgrcv(msg_queue_id, (void*)msgbuf, sizeof(msgbuf->mtext), type, 0);}

Server.c

#include "com.h"int main(){    int msg_queue_id = create_msg_queue();    printf("server succeeds in connecting the client\n\n");     MsgBuf msgbuf;    //memset(msgbuf.mtext, '\0', TEXT_SIZE);    while (1)    {        receive_msg(msg_queue_id, &msgbuf, CLIENT_TYPE);        printf("client # %s\n", msgbuf.mtext);        msgbuf.mtext[0] = '\0';//清空缓冲区        printf("please input the message # ");        scanf("%s", msgbuf.mtext);        send_msg(msg_queue_id, &msgbuf, SERVER_TYPE);        msgbuf.mtext[0] = '\0';//清空缓冲区    }    destroy_msg_queue(msg_queue_id);    return 0;}

Client.c

#include"com.h"int main(){    int msg_queue_id = get_msg_queue();    printf("client succeeds in connecting with the server!\n\n");    MsgBuf msgbuf;    //memset(msgbuf.mtext, '\0', TEXT_SIZE);    while (1)    {        printf("please input the message # ");        scanf("%s", msgbuf.mtext);        send_msg(msg_queue_id, &msgbuf, CLIENT_TYPE);        msgbuf.mtext[0] = '\0';//清空缓冲区        receive_msg(msg_queue_id, &msgbuf, SERVER_TYPE); //client希望接收server端的信息        printf("server # %s\n", msgbuf.mtext);        msgbuf.mtext[0] = '\0';//清空缓冲区    }    return 0;}

makefile

.PHONY:allall:client serverclient:client.c com.c    gcc -o $@ $^server:server.c com.c    gcc -o $@ $^.PHONY:cleanclean:    rm -f client server