Linux消息队列总结

本文章主体转自http://blog.csdn.net/stonecao/article/details/10364287

在其基础上添加了一些补充说明。

1.消息队列简介

实现linux进程通信的方式有5种：

--信号（Singal）

--管道（Pipe）

--消息队列（Message）

--信号量（Semaphore）

每种进程通信方式实现方式和功能不一样，带来适用的场景也有所不同，消息队列是链表队列，它通过内核提供一个struct msqid_ds *msgque[MSGMNI]向量维护内核的一个消息队列列表，因此linux系统支持的最大消息队列数由msgque数组大小来决定，每一个msqid_ds表示一个消息队列，并通过msqid_ds.msg_first、msg_last维护一个先进先出的msg链表队列，当发送一个消息到该消息队列时，把发送的消息构造成一个msg结构对象，并添加到msqid_ds.msg_first、msg_last维护的链表队列，同样，接收消息的时候也是从msg链表队列尾部查找到一个msg_type匹配的msg节点，从链表队列中删除该msg节点，并修改msqid_ds结构对象的数据。

2.消息队列的数据结构

--1.struct msqid_ds *msgque[MSGMNI]向量：

       msgque[MSGMNI]是一个msqid_ds结构的指针数组，每个msqid_ds结构指针代表一个系统消息队列，msgque[MSGMNI]的大小为MSGMNI=128，也就是说系统最多有MSGMNI=128个消息队列

--2.struct msqid_ds

        一个消息队列结构

struct msqid_ds 中主要数据成员介绍如下：

struct msqid_ds

{

        struct ipc_perm msg_perm;

        struct msg *msg_first;                                     /*消息队列头指针*/

        struct msg *msg_last;                                     /*消息队列尾指针*/

        __kernel_time_t msg_stime;                          /*最后一次插入消息队列消息的时间*/

        __kernel_time_t msg_rtime;                          /*最后一次接收消息即删除队列中一个消息的时间*/

        __kernel_time_t msg_ctime; 

        struct wait_queue *wwait;                                /*发送消息等待进程队列*/

        struct wait_queue *rwait;  

        unsigned short msg_cbytes;

        unsigned short msg_qnum;                             /*消息队列中的消息个数*/

        unsigned short msg_qbytes;

        __kernel_ipc_pid_t msg_lspid;                        /*最后一次消息发送进程的pid*/

        __kernel_ipc_pid_t msg_lrpid;                         /*最后一次消息发送进程的pid*/

};

--3.struct msg 消息节点结构：

        msqid_ds.msg_first，msg_last维护的链表队列中的一个链表节点

struct msg

{

       msg *msg_next;              /*下一个msg*/

       long msg_type;                /*消息类型*/

       *msg_spot;                       /*消息体开始位置指针*/

        msg_ts;                           /*消息体长度*/

        message；                     /*消息体*/

}

--4.msgbuf消息内容结构：

       msg 消息节点中的消息体，也是消息队列使用进程（消息队列发送接收进程）发送或者接收的消息

struct msgbuf

{

        long mtype;        --消息类型

        char mtext[n];     --消息内容

}

PS:该消息体可以由用户自定义，但是必须遵守第一个结构体成员为 long类型，mtext消息内容长度至少为一个字节，的规则即可，且该类型变量值需 ">0"；其下介绍的函数msgsnd，msgrcv中的参数 size_t msgsz，值需为结构体 struct msgbuf.mtext[n]中n的值。

3.消息队列的使用

PS:所需头文件：

       #include <sys/types.h>
       #include <sys/ipc.h>
       #include <sys/msg.h>

--1.消息队列Key的获取：

        在程序中若要使用消息队列，必须要能知道消息队列key,因为应用进程无法直接访问内核消息队列中的数据结构，因此需要一个消息队列的标识，让应用进程知道当前操作的是哪个消息队列，同时也要保证每个消息队列key值的唯一性

----a.通过ftok函数获取

 key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

key_t key;

key=ftok(".","a")

        该函数通过一个路径名称映射出一个消息队列key(我的理解是使用路径映射的方式比较容易获取一个唯一的消息队列key)

PS:用 pathname 和 proj_id 这两个参数来获取一个特定的键值"key";pathname为一路径名，注意该路径的读写权限，该权限应该会被

该消息队列继承，proj_id是一个需要进程间通信的两个进程约定好的一个值，用来配合路径名得到一个相同的键值“key”;

----b.直接定义key:

#define MSG_KEY      123456

自定义key的方式要注意避免消息队列的重复。

--2.获取或者打开一个消息队列

----a.使用说明

int msgget(key_t key, int msgflg);

qid=msgget(key_t key, int msgflag)

--key:  消息队列key

--msgflag:

IPC_PRIVATE:创建一个该进程独占的消息队列，其它进程不能访问该消息队列

IPC_CREAT:若消息队列不存在，创建一个新的消息队列，若消息队列存在，返回存在的消息队列

IPC_CREAT | IPC_EXCL: IPC_EXCL标志本身没有多大意义，与IPC_CREAT一起使用，保证只创建新的消息队列，若对应key的消息队列已经存在，则返回错误

IPC_NOWAIT:小队列以非阻塞的方式获取（若不能获取，立即返回错误）

----b.函数原因

------1）如果key==IPC_PRIVATE，则申请一块内存，创建一个新的消息队列（数据结构msqid_ds)，将其初始化后加入到msgque向量表中的某个空位置处，返回标示符。

------2）在msgque向量表中找键值为key的消息队列，如果没有找到，结果有二：

        msgflag表示不创建新的队列，则错误返回。

        msgflag表示要创建新的队列（IPC_CREAT），则创建新消息队列，创建过程如1）。

-------3）如果在msgque向量表中找到了键值为key的消息队列，则有以下情况：

         如果msgflg表示一定要创建新的消息队列而且不允许有相同键值的队列存在，则错误返回。

         如果找到的队列是不能用的或已经损坏的队列，则错误返回。

         认证和存取权限检查，如果该队列不允许msgflg要求的存取，则错误返回。

         正常，返回队列的标识符。

--3.发送一个消息到消息对列

----a.使用说明：

int msgsnd (int msqid, struct msgbuf *msgp, size_t msgsz, int msgflg)
------msqid为消息队列的qid 
------msgp对应消息内容结构体指针
------msgsz消息的大小即msgp指针指向的消息结构体的大小
------msgflg消息标志

0：忽略该标志位，以阻塞的方式发送消息到消息队列

IPC_NOWAIT：以非阻塞的方式发送消息，若消息队列满，函数立即返回。

------返回：

0: 成功

-1:非阻塞方式访问满消息队列返回

EACCES：没有该消息队列写权限

EFAULT:消息队列地址无法获取

EIDRM:消息队列已经被删除

EINTR:消息队列等待写入的时候被中断

ENOMEM:内存不够

----b.函数原理：

1)计算id = (unsigned int) msqid % MSGMNI,然后根据id在linux系统消息队列向量msgque[MSGMNI]中查找对应的消息队列，并进行认证检查，合法性检查

2)如果队列已满，以可中断等待状态（TASK_INTERRUPTIBLE）将当前进程挂起在wwait等待队列(发送消息等待队列)上（msgflag==0）。

3)否则 根据msgbuf的大小申请一块空间，并在其上创建一个消息数据结构struct msg(内核空间)，将消息缓冲区中的消息内容拷贝到该内存块中消息头的后面（从用户空间拷贝到内核空间）。

4)将消息数据结构加入到消息队列的队尾，修改队列msqid_ds的相应参数。

5)唤醒在该消息队列的rwait进程队列(读等待进程队列)上等待读的进程,并返回。

--4.从消息队列接收一个消息到msgbuf*

----a.使用说明
int msgrcv (int msqid, struct msgbuf *msgp, size_t msgsz,long msgtyp, int msgflg)

PS:linux下定义为 ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp,
                      int msgflg);
----msqid为消息队列的qid 
----msgp是接收到的消息将要存放的缓冲区
----msgsz是消息的大小
----msgtyp是期望接收的消息类型
----msgflg是标志

0:表示忽略

IPC_NOWAIT:如果消息队列为空，不阻塞等待，返回一个ENOMSG

----返回

0：成功

-1:消息长度大于msgsz

 

EACCES：没有该消息队列读权限

EFAULT:消息队列地址无法获取

EIDRM:消息队列已经被删除

EINTR:消息队列等待写入的时候被中断

ENOMEM:内存不够

----b.函数原理：

1)计算id = (unsigned int) msqid % MSGMNI,然后根据id在msgque[MSGMNI]中查找对应的消息队列，并进行认证检查，合法性检查
2)根据msgtyp搜索消息队列，情况有二：
----如果找不到所要的消息，则以可中断等待状态（TASK_INTERRUPTIBLE）将当前进程挂起在rwait等待队列上
----如果找到所要的消息，则将消息从队列中摘下，调整队列msqid_ds参数，唤醒该消息队列的wwait进程队列上等待写的进程，将消息内容拷贝到用户空间的消息缓冲区msgp中，释放内核中该消息所占用的空间，返回

--5.消息的控制

----a.使用说明：

int msgctl (int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf)

------msqid：为消息队列的qid
------cmd：为该函数要对消息队列执行的操作

IPC_STAT：取出消息队列的msqid_ds结构体并将参数存入buf所指向的msqid_ds结构对象中

IPC_SET：设定消息队列的msqid_ds 数据中的msg_perm 成员。设定的值由buf 指向的msqid_ds
结构给出。

IPC_EMID：将队列从系统内核中删除。
----buf：消息队列msqid_ds结构体指针

----b.函数作用

对消息队列进行设置以及相关操作，具体操作由cmd指定。