轉(zhuǎn)自http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part3/， 作者：鄭彥興
消息隊列（也叫做報文隊列）能夠克服早期unix通信機制的一些缺點。作為早期unix通信機制之一的信號能夠傳送的信息量有限，后來雖然 POSIX 1003.1b在信號的實時性方面作了拓廣，使得信號在傳遞信息量方面有了相當(dāng)程度的改進(jìn)，但是信號這種通信方式更像"即時"的通信方式，它要求接受信號 的進(jìn)程在某個時間范圍內(nèi)對信號做出反應(yīng)，因此該信號最多在接受信號進(jìn)程的生命周期內(nèi)才有意義，信號所傳遞的信息是接近于隨進(jìn)程持續(xù)的概念 （process-persistent），見 附錄 1；管道及有名管道及有名管道則是典型的隨進(jìn)程持續(xù)IPC，并且，只能傳送無格式的字節(jié)流無疑會給應(yīng)用程序開發(fā)帶來不便，另外，它的緩沖區(qū)大小也受到限制。
消息隊列就是一個消息的鏈表。可以把消息看作一個記錄，具有特定的格式以及特定的優(yōu)先級。對消息隊列有寫權(quán)限的進(jìn)程可以向中按照一定的規(guī)則添加新消息；對消息隊列有讀權(quán)限的進(jìn)程則可以從消息隊列中讀走消息。消息隊列是隨內(nèi)核持續(xù)的（參見 附錄 1）。
目前主要有兩種類型的消息隊列：POSIX消息隊列以及系統(tǒng)V消息隊列，系統(tǒng)V消息隊列目前被大量使用。考慮到程序的可移植性，新開發(fā)的應(yīng)用程序應(yīng)盡量使用POSIX消息隊列。
在本系列專題的序（深刻理解Linux進(jìn)程間通信（IPC））中，提到對于消息隊列、信號燈、以及共享內(nèi)存區(qū)來說，有兩個實現(xiàn)版 本：POSIX的以及系統(tǒng)V的。Linux內(nèi)核（內(nèi)核2.4.18）支持POSIX信號燈、POSIX共享內(nèi)存區(qū)以及POSIX消息隊列，但對于主流 Linux發(fā)行版本之一redhad8.0（內(nèi)核2.4.18），還沒有提供對POSIX進(jìn)程間通信API的支持，不過應(yīng)該只是時間上的事。
因此，本文將主要介紹系統(tǒng)V消息隊列及其相應(yīng)API。 在沒有聲明的情況下，以下討論中指的都是系統(tǒng)V消息隊列。
一、消息隊列基本概念
- 系統(tǒng)V消息隊列是隨內(nèi)核持續(xù)的，只有在內(nèi)核重起或者顯示刪除一個消息隊列時，該消息隊列才會真正被刪除。因此系統(tǒng)中記錄消息隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（struct ipc_ids msg_ids）位于內(nèi)核中，系統(tǒng)中的所有消息隊列都可以在結(jié)構(gòu)msg_ids中找到訪問入口。
- 消息隊列就是一個消息的鏈表。每個消息隊列都有一個隊列頭，用結(jié)構(gòu)struct msg_queue來描述（參見 附錄 2）。隊列頭中包含了該消息隊列的大量信息，包括消息隊列鍵值、用戶ID、組ID、消息隊列中消息數(shù)目等等，甚至記錄了最近對消息隊列讀寫進(jìn)程的ID。讀者可以訪問這些信息，也可以設(shè)置其中的某些信息。
- 下圖說明了內(nèi)核與消息隊列是怎樣建立起聯(lián)系的：
其中：struct ipc_ids msg_ids是內(nèi)核中記錄消息隊列的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；struct msg_queue是每個消息隊列的隊列頭。
從上圖可以看出，全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) struct ipc_ids msg_ids 可以訪問到每個消息隊列頭的第一個成員：struct kern_ipc_perm；而每個struct kern_ipc_perm能夠與具體的消息隊列對應(yīng)起來是因為在該結(jié)構(gòu)中，有一個key_t類型成員key，而key則唯一確定一個消息隊列。 kern_ipc_perm結(jié)構(gòu)如下：
- struct kern_ipc_perm{ //內(nèi)核中記錄消息隊列的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)msg_ids能夠訪問到該結(jié)構(gòu)；
- key_t key; //該鍵值則唯一對應(yīng)一個消息隊列
- uid_t uid;
- gid_t gid;
- uid_t cuid;
- gid_t cgid;
- mode_t mode;
- unsigned long seq;
二、操作消息隊列
對消息隊列的操作無非有下面三種類型：
1、 打開或創(chuàng)建消息隊列
消息隊列的內(nèi)核持續(xù)性要求每個消息隊列都在系統(tǒng)范圍內(nèi)對應(yīng)唯一的鍵值，所以，要獲得一個消息隊列的描述字，只需提供該消息隊列的鍵值即可；
注：消息隊列描述字是由在系統(tǒng)范圍內(nèi)唯一的鍵值生成的，而鍵值可以看作對應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的一條路經(jīng)。
2、 讀寫操作
消息讀寫操作非常簡單，對開發(fā)人員來說，每個消息都類似如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
| struct msgbuf{ long mtype; char mtext[1]; }; |
mtype成員代表消息類型，從消息隊列中讀取消息的一個重要依據(jù)就是消息的類型；mtext是消息內(nèi)容，當(dāng)然長度不一定為1。因此， 對于發(fā)送消息來說，首先預(yù)置一個msgbuf緩沖區(qū)并寫入消息類型和內(nèi)容，調(diào)用相應(yīng)的發(fā)送函數(shù)即可；對讀取消息來說，首先分配這樣一個msgbuf緩沖 區(qū)，然后把消息讀入該緩沖區(qū)即可。
3、 獲得或設(shè)置消息隊列屬性：
消息隊列的信息基本上都保存在消息隊列頭中，因此，可以分配一個類似于消息隊列頭的結(jié)構(gòu)(struct msqid_ds，見 附錄 2)，來返回消息隊列的屬性；同樣可以設(shè)置該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
消息隊列API
1、文件名到鍵值
- #include <sys/types.h>
- #include <sys/ipc.h>
- key_t ftok (char*pathname, char proj)
它返回與路徑pathname相對應(yīng)的一個鍵值。該函數(shù)不直接對消息隊列操作，但在調(diào)用ipc(MSGGET,…)或msgget()來獲得消息隊列描述字前，往往要調(diào)用該函數(shù)。典型的調(diào)用代碼是：
- key=ftok(path_ptr, 'a');
- ipc_id=ipc(MSGGET, (int)key, flags,0,NULL,0);
- …
2、linux為操作系統(tǒng)V進(jìn)程間通信的三種方式（消息隊列、信號燈、共享內(nèi)存區(qū)）提供了一個統(tǒng)一的用戶界面：
int ipc(unsigned int call, int first, int second, int third, void * ptr, long fifth);
第一個參數(shù)指明對IPC對象的操作方式，對消息隊列而言共有四種操作：MSGSND、MSGRCV、MSGGET以及MSGCTL，分 別代表向消息隊列發(fā)送消息、從消息隊列讀取消息、打開或創(chuàng)建消息隊列、控制消息隊列；first參數(shù)代表唯一的IPC對象；下面將介紹四種操作。
- int ipc( MSGGET, intfirst, intsecond, intthird, void*ptr, longfifth);
與該操作對應(yīng)的系統(tǒng)V調(diào)用為：int msgget( (key_t)first，second)。 - int ipc( MSGCTL, intfirst, intsecond, intthird, void*ptr, longfifth)
與該操作對應(yīng)的系統(tǒng)V調(diào)用為：int msgctl( first，second, (struct msqid_ds*) ptr)。 - int ipc( MSGSND, intfirst, intsecond, intthird, void*ptr, longfifth);
與該操作對應(yīng)的系統(tǒng)V調(diào)用為：int msgsnd( first, (struct msgbuf*)ptr, second, third)。 - int ipc( MSGRCV, intfirst, intsecond, intthird, void*ptr, longfifth);
與該操作對應(yīng)的系統(tǒng)V調(diào)用為：int msgrcv( first，(struct msgbuf*)ptr, second, fifth,third)，
注：本人不主張采用系統(tǒng)調(diào)用ipc()，而更傾向于采用系統(tǒng)V或者POSIX進(jìn)程間通信API。原因如下：
- 雖然該系統(tǒng)調(diào)用提供了統(tǒng)一的用戶界面，但正是由于這個特性，它的參數(shù)幾乎不能給出特定的實際意義（如以first、second來命名參數(shù)），在一定程度上造成開發(fā)不便。
- 正如ipc手冊所說的：ipc()是linux所特有的，編寫程序時應(yīng)注意程序的移植性問題；
- 該系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)不過是把系統(tǒng)V IPC函數(shù)進(jìn)行了封裝，沒有任何效率上的優(yōu)勢；
- 系統(tǒng)V在IPC方面的API數(shù)量不多，形式也較簡潔。
3.系統(tǒng)V消息隊列API
系統(tǒng)V消息隊列API共有四個，使用時需要包括幾個頭文件：
- #include <sys/types.h>
- #include <sys/ipc.h>
- #include <sys/msg.h>
1）int msgget(key_t key, int msgflg)
參數(shù)key是一個鍵值，由ftok獲得；msgflg參數(shù)是一些標(biāo)志位。該調(diào)用返回與健值key相對應(yīng)的消息隊列描述字。
在以下兩種情況下，該調(diào)用將創(chuàng)建一個新的消息隊列：
- 如果沒有消息隊列與健值key相對應(yīng)，并且msgflg中包含了IPC_CREAT標(biāo)志位；
- key參數(shù)為IPC_PRIVATE；
參數(shù)msgflg可以為以下：IPC_CREAT、IPC_EXCL、IPC_NOWAIT或三者的或結(jié)果。
調(diào)用返回：成功返回消息隊列描述字，否則返回-1。
注：參數(shù)key設(shè)置成常數(shù)IPC_PRIVATE并不意味著其他進(jìn)程不能訪問該消息隊列，只意味著即將創(chuàng)建新的消息隊列。
2）int msgrcv(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, long msgtyp, int msgflg);
該系統(tǒng)調(diào)用從msgid代表的消息隊列中讀取一個消息，并把消息存儲在msgp指向的msgbuf結(jié)構(gòu)中。
msqid為消息隊列描述字；消息返回后存儲在msgp指向的地址，msgsz指定msgbuf的mtext成員的長度（即消息內(nèi)容的長度），msgtyp為請求讀取的消息類型；讀消息標(biāo)志msgflg可以為以下幾個常值的或：
- IPC_NOWAIT 如果沒有滿足條件的消息，調(diào)用立即返回，此時，errno=ENOMSG
- IPC_EXCEPT 與msgtyp>0配合使用，返回隊列中第一個類型不為msgtyp的消息
- IPC_NOERROR 如果隊列中滿足條件的消息內(nèi)容大于所請求的msgsz字節(jié)，則把該消息截斷，截斷部分將丟失。
msgrcv手冊中詳細(xì)給出了消息類型取不同值時(>0; <0; =0)，調(diào)用將返回消息隊列中的哪個消息。
msgrcv()解除阻塞的條件有三個：
- 消息隊列中有了滿足條件的消息；
- msqid代表的消息隊列被刪除；
- 調(diào)用msgrcv（）的進(jìn)程被信號中斷；
調(diào)用返回：成功返回讀出消息的實際字節(jié)數(shù)，否則返回-1。
3）int msgsnd(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, int msgflg);
向msgid代表的消息隊列發(fā)送一個消息，即將發(fā)送的消息存儲在msgp指向的msgbuf結(jié)構(gòu)中，消息的大小由msgze指定。
對發(fā)送消息來說，有意義的msgflg標(biāo)志為IPC_NOWAIT，指明在消息隊列沒有足夠空間容納要發(fā)送的消息時，msgsnd是否等待。造成msgsnd()等待的條件有兩種：
- 當(dāng)前消息的大小與當(dāng)前消息隊列中的字節(jié)數(shù)之和超過了消息隊列的總?cè)萘浚?/li>
- 當(dāng)前消息隊列的消息數(shù)（單位"個"）不小于消息隊列的總?cè)萘浚▎挝?字節(jié)數(shù)"），此時，雖然消息隊列中的消息數(shù)目很多，但基本上都只有一個字節(jié)。
msgsnd()解除阻塞的條件有三個：
- 不滿足上述兩個條件，即消息隊列中有容納該消息的空間；
- msqid代表的消息隊列被刪除；
- 調(diào)用msgsnd（）的進(jìn)程被信號中斷；
調(diào)用返回：成功返回0，否則返回-1。
4）int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
該系統(tǒng)調(diào)用對由msqid標(biāo)識的消息隊列執(zhí)行cmd操作，共有三種cmd操作：IPC_STAT、IPC_SET 、IPC_RMID。
- IPC_STAT：該命令用來獲取消息隊列信息，返回的信息存貯在buf指向的msqid結(jié)構(gòu)中；
- IPC_SET：該命令用來設(shè)置消息隊列的屬性，要設(shè)置的屬性存儲在buf指向的msqid結(jié)構(gòu)中；可設(shè)置屬性包括：msg_perm.uid、msg_perm.gid、msg_perm.mode以及msg_qbytes，同時，也影響msg_ctime成員。
- IPC_RMID：刪除msqid標(biāo)識的消息隊列；
調(diào)用返回：成功返回0，否則返回-1。
三、消息隊列的限制
每個消息隊列的容量（所能容納的字節(jié)數(shù)）都有限制，該值因系統(tǒng)不同而不同。在后面的應(yīng)用實例中，輸出了redhat 8.0的限制，結(jié)果參見 附錄 3。
另一個限制是每個消息隊列所能容納的最大消息數(shù)：在redhad 8.0中，該限制是受消息隊列容量制約的：消息個數(shù)要小于消息隊列的容量（字節(jié)數(shù)）。
注：上述兩個限制是針對每個消息隊列而言的，系統(tǒng)對消息隊列的限制還有系統(tǒng)范圍內(nèi)的最大消息隊列個數(shù)，以及整個系統(tǒng)范圍內(nèi)的最大消息數(shù)。一般來說，實際開發(fā)過程中不會超過這個限制。
四、消息隊列應(yīng)用實例
消息隊列應(yīng)用相對較簡單，下面實例基本上覆蓋了對消息隊列的所有操作，同時，程序輸出結(jié)果有助于加深對前面所講的某些規(guī)則及消息隊列限制的理解。
- #include <sys/types.h>
- #include <sys/msg.h>
- #include <unistd.h>
- void msg_stat(int,struct msqid_ds );
- main()
- {
- int gflags,sflags,rflags;
- key_t key;
- int msgid;
- int reval;
- struct msgsbuf{
- int mtype;
- char mtext[1];
- }msg_sbuf;
- struct msgmbuf
- {
- int mtype;
- char mtext[10];
- }msg_rbuf;
- struct msqid_ds msg_ginfo,msg_sinfo;
- char* msgpath="/unix/msgqueue";
- key=ftok(msgpath,'a');
- gflags=IPC_CREAT|IPC_EXCL;
- msgid=msgget(key,gflags|00666);
- if(msgid==-1)
- {
- printf("msg create error\n");
- return;
- }
- //創(chuàng)建一個消息隊列后，輸出消息隊列缺省屬性
- msg_stat(msgid,msg_ginfo);
- sflags=IPC_NOWAIT;
- msg_sbuf.mtype=10;
- msg_sbuf.mtext[0]='a';
- reval=msgsnd(msgid,&msg_sbuf,sizeof(msg_sbuf.mtext),sflags);
- if(reval==-1)
- {
- printf("message send error\n");
- }
- //發(fā)送一個消息后，輸出消息隊列屬性
- msg_stat(msgid,msg_ginfo);
- rflags=IPC_NOWAIT|MSG_NOERROR;
- reval=msgrcv(msgid,&msg_rbuf,4,10,rflags);
- if(reval==-1)
- printf("read msg error\n");
- else
- printf("read from msg queue %d bytes\n",reval);
- //從消息隊列中讀出消息后，輸出消息隊列屬性
- msg_stat(msgid,msg_ginfo);
- msg_sinfo.msg_perm.uid=8;//just a try
- msg_sinfo.msg_perm.gid=8;//
- msg_sinfo.msg_qbytes=16388;
- //此處驗證超級用戶可以更改消息隊列的缺省msg_qbytes
- //注意這里設(shè)置的值大于缺省值
- reval=msgctl(msgid,IPC_SET,&msg_sinfo);
- if(reval==-1)
- {
- printf("msg set info error\n");
- return;
- }
- msg_stat(msgid,msg_ginfo);
- //驗證設(shè)置消息隊列屬性
- reval=msgctl(msgid,IPC_RMID,NULL);//刪除消息隊列
- if(reval==-1)
- {
- printf("unlink msg queue error\n");
- return;
- }
- }
- void msg_stat(int msgid,struct msqid_ds msg_info)
- {
- int reval;
- sleep(1);//只是為了后面輸出時間的方便
- reval=msgctl(msgid,IPC_STAT,&msg_info);
- if(reval==-1)
- {
- printf("get msg info error\n");
- return;
- }
- printf("\n");
- printf("current number of bytes on queue is %d\n",msg_info.msg_cbytes);
- printf("number of messages in queue is %d\n",msg_info.msg_qnum);
- printf("max number of bytes on queue is %d\n",msg_info.msg_qbytes);
- //每個消息隊列的容量（字節(jié)數(shù)）都有限制MSGMNB，值的大小因系統(tǒng)而異。在創(chuàng)建新的消息隊列時，//msg_qbytes的缺省值就是MSGMNB
- printf("pid of last msgsnd is %d\n",msg_info.msg_lspid);
- printf("pid of last msgrcv is %d\n",msg_info.msg_lrpid);
- printf("last msgsnd time is %s", ctime(&(msg_info.msg_stime)));
- printf("last msgrcv time is %s", ctime(&(msg_info.msg_rtime)));
- printf("last change time is %s", ctime(&(msg_info.msg_ctime)));
- printf("msg uid is %d\n",msg_info.msg_perm.uid);
- printf("msg gid is %d\n",msg_info.msg_perm.gid);
- }
程序輸出結(jié)果見 附錄 3。
小結(jié)：
消息隊列與管道以及有名管道相比，具有更大的靈活性，首先，它提供有格式字節(jié)流，有利于減少開發(fā)人員的工作量；其次，消息具有類型，在 實際應(yīng)用中，可作為優(yōu)先級使用。這兩點是管道以及有名管道所不能比的。同樣，消息隊列可以在幾個進(jìn)程間復(fù)用，而不管這幾個進(jìn)程是否具有親緣關(guān)系，這一點與 有名管道很相似；但消息隊列是隨內(nèi)核持續(xù)的，與有名管道（隨進(jìn)程持續(xù)）相比，生命力更強，應(yīng)用空間更大。
附錄 1： 在參考文獻(xiàn)[1]中，給出了IPC隨進(jìn)程持續(xù)、隨內(nèi)核持續(xù)以及隨文件系統(tǒng)持續(xù)的定義：
- 隨進(jìn)程持續(xù)：IPC一直存在到打開IPC對象的最后一個進(jìn)程關(guān)閉該對象為止。如管道和有名管道；
- 隨內(nèi)核持續(xù)：IPC一直持續(xù)到內(nèi)核重新自舉或者顯示刪除該對象為止。如消息隊列、信號燈以及共享內(nèi)存等；
- 隨文件系統(tǒng)持續(xù)：IPC一直持續(xù)到顯示刪除該對象為止。
附錄 2：
結(jié)構(gòu)msg_queue用來描述消息隊列頭，存在于系統(tǒng)空間：
- struct msg_queue {
- struct kern_ipc_perm q_perm;
- time_t q_stime; /* last msgsnd time */
- time_t q_rtime; /* last msgrcv time */
- time_t q_ctime; /* last change time */
- unsigned long q_cbytes; /* current number of bytes on queue */
- unsigned long q_qnum; /* number of messages in queue */
- unsigned long q_qbytes; /* max number of bytes on queue */
- pid_t q_lspid; /* pid of last msgsnd */
- pid_t q_lrpid; /* last receive pid */
- struct list_head q_messages;
- struct list_head q_receivers;
- struct list_head q_senders;
- };
結(jié)構(gòu)msqid_ds用來設(shè)置或返回消息隊列的信息，存在于用戶空間；
- struct msqid_ds {
- struct ipc_perm msg_perm;
- struct msg *msg_first; /* first message on queue,unused */
- struct msg *msg_last; /* last message in queue,unused */
- __kernel_time_t msg_stime; /* last msgsnd time */
- __kernel_time_t msg_rtime; /* last msgrcv time */
- __kernel_time_t msg_ctime; /* last change time */
- unsigned long msg_lcbytes; /* Reuse junk fields for 32 bit */
- unsigned long msg_lqbytes; /* ditto */
- unsigned short msg_cbytes; /* current number of bytes on queue */
- unsigned short msg_qnum; /* number of messages in queue */
- unsigned short msg_qbytes; /* max number of bytes on queue */
- __kernel_ipc_pid_t msg_lspid; /* pid of last msgsnd */
- __kernel_ipc_pid_t msg_lrpid; /* last receive pid */
- };
//可以看出上述兩個結(jié)構(gòu)很相似。
附錄 3： 消息隊列實例輸出結(jié)果：
- current number of bytes on queue is 0
- number of messages in queue is 0
- max number of bytes on queue is 16384
- pid of last msgsnd is 0
- pid of last msgrcv is 0
- last msgsnd time is Thu Jan 1 08:00:00 1970
- last msgrcv time is Thu Jan 1 08:00:00 1970
- last change time is Sun Dec 29 18:28:20 2002
- msg uid is 0
- msg gid is 0
- //上面剛剛創(chuàng)建一個新消息隊列時的輸出
- current number of bytes on queue is 1
- number of messages in queue is 1
- max number of bytes on queue is 16384
- pid of last msgsnd is 2510
- pid of last msgrcv is 0
- last msgsnd time is Sun Dec 29 18:28:21 2002
- last msgrcv time is Thu Jan 1 08:00:00 1970
- last change time is Sun Dec 29 18:28:20 2002
- msg uid is 0
- msg gid is 0
- read from msg queue 1 bytes
- //實際讀出的字節(jié)數(shù)
- current number of bytes on queue is 0
- number of messages in queue is 0
- max number of bytes on queue is 16384 //每個消息隊列最大容量（字節(jié)數(shù)）
- pid of last msgsnd is 2510
- pid of last msgrcv is 2510
- last msgsnd time is Sun Dec 29 18:28:21 2002
- last msgrcv time is Sun Dec 29 18:28:22 2002
- last change time is Sun Dec 29 18:28:20 2002
- msg uid is 0
- msg gid is 0
- current number of bytes on queue is 0
- number of messages in queue is 0
- max number of bytes on queue is 16388 //可看出超級用戶可修改消息隊列最大容量
- pid of last msgsnd is 2510
- pid of last msgrcv is 2510 //對操作消息隊列進(jìn)程的跟蹤
- last msgsnd time is Sun Dec 29 18:28:21 2002
- last msgrcv time is Sun Dec 29 18:28:22 2002
- last change time is Sun Dec 29 18:28:23 2002 //msgctl()調(diào)用對msg_ctime有影響
- msg uid is 8
- msg gid is 8
參考資料
- UNIX網(wǎng)絡(luò)編程第二卷：進(jìn)程間通信，作者：W.Richard Stevens，譯者：楊繼張，清華大學(xué)出版社。對POSIX以及系統(tǒng)V消息隊列都有闡述，對Linux環(huán)境下的程序開發(fā)有極大的啟發(fā)意義。
- linux內(nèi)核源代碼情景分析（上），毛德操、胡希明著，浙江大學(xué)出版社，給出了系統(tǒng)V消息隊列相關(guān)的源代碼分析。
- http://www.fanqiang.com/a4/b2/20010508/113315.html，主要闡述linux下對文件的操作，詳細(xì)介紹了對文件的存取權(quán)限位，對IPC對象的存取權(quán)限同樣具有很好的借鑒意義。
- msgget、msgsnd、msgrcv、msgctl手冊