Linux環境進程間通信（三）
消息隊列
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級別: 初級
鄭彥興
(mlinux@163.com)國防科大計算機學院
2003 年 1 月 17 日
本系列文章中的前兩部分，我們探討管道及信號兩種通信機制，本文將深入第三部分，介紹系統 V 消息隊列及其相應 API。
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程度的改進，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程在某個時間范圍內對信號做出反應，因此該信號最多在接受信號進程的生命周期內才有意義，信號所傳遞的信息是接近于隨進程持續的概念（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程持續IPC，并且，只能傳送無格式的字節流無疑會給應用程序開發帶來不便，另外，它的緩沖區大小也受到限制。
消息隊列就是一個消息的鏈表?？梢园严⒖醋饕粋€記錄，具有特定的格式以及特定的優先級。對消息隊列有寫權限的進程可以向中按照一定的規則添加新消息；對消息隊列有讀權限的進程則可以從消息隊列中讀走消息。消息隊列是隨內核持續的（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V消息隊列，系統V消息隊列目前被大量使用。考慮到程序的可移植性，新開發的應用程序應盡量使用POSIX消息隊列。
在本系列專題的序（深刻理解Linux進程間通信（IPC））中，提到對于消息隊列、信號燈、以及共享內存區來說，有兩個實現版本：POSIX的以及系統V的。Linux內核（內核2.4.18）支持POSIX信號燈、POSIX共享內存區以及POSIX消息隊列，但對于主流Linux發行版本之一redhad8.0（內核2.4.18），還沒有提供對POSIX進程間通信API的支持，不過應該只是時間上的事。
因此，本文將主要介紹系統V消息隊列及其相應API。 在沒有聲明的情況下，以下討論中指的都是系統V消息隊列。
一、消息隊列基本概念
- 系統V消息隊列是隨內核持續的，只有在內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。因此系統中記錄消息隊列的數據結構（struct ipc_ids msg_ids）位于內核中，系統中的所有消息隊列都可以在結構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，用結構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、消息隊列中消息數目等等，甚至記錄了最近對消息隊列讀寫進程的ID。讀者可以訪問這些信息，也可以設置其中的某些信息。
- 下圖說明了內核與消息隊列是怎樣建立起聯系的：
其中：struct ipc_ids msg_ids是內核中記錄消息隊列的全局數據結構；struct msg_queue是每個消息隊列的隊列頭。
從上圖可以看出，全局數據結構 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起來是因為在該結構中，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結構如下：
struct kern_ipc_perm{ //內核中記錄消息隊列的全局數據結構msg_ids能夠訪問到該結構；
key_t key; //該鍵值則唯一對應一個消息隊列
uid_t uid;
gid_t gid;
uid_t cuid;
gid_t cgid;
mode_t mode;
unsigned long seq;
}
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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、 打開或創建消息隊列
消息隊列的內核持續性要求每個消息隊列都在系統范圍內對應唯一的鍵值，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范圍內唯一的鍵值生成的，而鍵值可以看作對應系統內的一條路經。
2、 讀寫操作
消息讀寫操作非常簡單，對開發人員來說，每個消息都類似如下的數據結構：
struct msgbuf{
long mtype;
char mtext[1];
};
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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就是消息的類型；mtext是消息內容，當然長度不一定為1。因此，對于發送消息來說，首先預置一個msgbuf緩沖區并寫入消息類型和內容，調用相應的發送函數即可；對讀取消息來說，首先分配這樣一個msgbuf緩沖區，然后把消息讀入該緩沖區即可。
3、 獲得或設置消息隊列屬性：
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構(struct msqid_ds，見 附錄 2)，來返回消息隊列的屬性；同樣可以設置該數據結構。
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)；
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它返回與路徑pathname相對應的一個鍵值。該函數不直接對消息隊列操作，但在調用ipc(MSGGET,…)或msgget()來獲得消息隊列描述字前，往往要調用該函數。典型的調用代碼是：
key=ftok(path_ptr, 'a');
ipc_id=ipc(MSGGET, (int)key, flags,0,NULL,0);
…
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2、linux為操作系統V進程間通信的三種方式（消息隊列、信號燈、共享內存區）提供了一個統一的用戶界面：
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送消息、從消息隊列讀取消息、打開或創建消息隊列、控制消息隊列；first參數代表唯一的IPC對象；下面將介紹四種操作。
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int ipc( MSGGET, intfirst, intsecond, intthird, void*ptr, longfifth);
與該操作對應的系統V調用為：int msgget( (key_t)first，second)。
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int ipc( MSGCTL, intfirst, intsecond, intthird, void*ptr, longfifth)
與該操作對應的系統V調用為：int msgctl( first，second, (struct msqid_ds*) ptr)。
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int ipc( MSGSND, intfirst, intsecond, intthird, void*ptr, longfifth);
與該操作對應的系統V調用為：int msgsnd( first, (struct msgbuf*)ptr, second, third)。
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int ipc( MSGRCV, intfirst, intsecond, intthird, void*ptr, longfifth);
與該操作對應的系統V調用為：int msgrcv( first，(struct msgbuf*)ptr, second, fifth,third)，
注：本人不主張采用系統調用ipc()，而更傾向于采用系統V或者POSIX進程間通信API。原因如下：
- 雖然該系統調用提供了統一的用戶界面，但正是由于這個特性，它的參數幾乎不能給出特定的實際意義（如以first、second來命名參數），在一定程度上造成開發不便。
- 正如ipc手冊所說的：ipc()是linux所特有的，編寫程序時應注意程序的移植性問題；
- 該系統調用的實現不過是把系統V IPC函數進行了封裝，沒有任何效率上的優勢；
- 系統V在IPC方面的API數量不多，形式也較簡潔。
3.系統V消息隊列API
系統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>
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1）int msgget(key_t key, int msgflg)
參數key是一個鍵值，由ftok獲得；msgflg參數是一些標志位。該調用返回與健值key相對應的消息隊列描述字。
在以下兩種情況下，該調用將創建一個新的消息隊列：
- 如果沒有消息隊列與健值key相對應，并且msgflg中包含了IPC_CREAT標志位；
- key參數為IPC_PRIVATE；
參數msgflg可以為以下：IPC_CREAT、IPC_EXCL、IPC_NOWAIT或三者的或結果。
調用返回：成功返回消息隊列描述字，否則返回-1。
注：參數key設置成常數IPC_PRIVATE并不意味著其他進程不能訪問該消息隊列，只意味著即將創建新的消息隊列。
2）int msgrcv(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, long msgtyp, int msgflg);
該系統調用從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結構中。
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（即消息內容的長度），msgtyp為請求讀取的消息類型；讀消息標志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容大于所請求的msgsz字節，則把該消息截斷，截斷部分將丟失。
msgrcv手冊中詳細給出了消息類型取不同值時(>0; <0; =0)，調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；
- 調用msgrcv（）的進程被信號中斷；
調用返回：成功返回讀出消息的實際字節數，否則返回-1。
3）int msgsnd(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, int msgflg);
向msgid代表的消息隊列發送一個消息，即將發送的消息存儲在msgp指向的msgbuf結構中，消息的大小由msgze指定。
對發送消息來說，有意義的msgflg標志為IPC_NOWAIT，指明在消息隊列沒有足夠空間容納要發送的消息時，msgsnd是否等待。造成msgsnd()等待的條件有兩種：
- 當前消息的大小與當前消息隊列中的字節數之和超過了消息隊列的總容量；
- 當前消息隊列的消息數（單位"個"）不小于消息隊列的總容量（單位"字節數"），此時，雖然消息隊列中的消息數目很多，但基本上都只有一個字節。
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；
- 調用msgsnd（）的進程被信號中斷；
調用返回：成功返回0，否則返回-1。
4）int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
該系統調用對由msqid標識的消息隊列執行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結構中；
- IPC_SET：該命令用來設置消息隊列的屬性，要設置的屬性存儲在buf指向的msqid結構中；可設置屬性包括：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標識的消息隊列；
調用返回：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（所能容納的字節數）都有限制，該值因系統不同而不同。在后面的應用實例中，輸出了redhat 8.0的限制，結果參見 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：在redhad 8.0中，該限制是受消息隊列容量制約的：消息個數要小于消息隊列的容量（字節數）。
注：上述兩個限制是針對每個消息隊列而言的，系統對消息隊列的限制還有系統范圍內的最大消息隊列個數，以及整個系統范圍內的最大消息數。一般來說，實際開發過程中不會超過這個限制。
四、消息隊列應用實例
消息隊列應用相對較簡單，下面實例基本上覆蓋了對消息隊列的所有操作，同時，程序輸出結果有助于加深對前面所講的某些規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（字節數）都有限制MSGMNB，值的大小因系統而異。在創建新的消息隊列時，//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);
}
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程序輸出結果見
附錄 3。
小結：
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，它提供有格式字節流，有利于減少開發人員的工作量；其次，消息具有類型，在實際應用中，可作為優先級使用。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程間復用，而不管這幾個進程是否具有親緣關系，這一點與有名管道很相似；但消息隊列是隨內核持續的，與有名管道（隨進程持續）相比，生命力更強，應用空間更大。
附錄 1： 在參考文獻[1]中，給出了IPC隨進程持續、隨內核持續以及隨文件系統持續的定義：
- 隨進程持續：IPC一直存在到打開IPC對象的最后一個進程關閉該對象為止。如管道和有名管道；
- 隨內核持續：IPC一直持續到內核重新自舉或者顯示刪除該對象為止。如消息隊列、信號燈以及共享內存等；
- 隨文件系統持續：IPC一直持續到顯示刪除該對象為止。
附錄 2：
結構msg_queue用來描述消息隊列頭，存在于系統空間：
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;
};
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結構msqid_ds用來設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 */
};
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//可以看出上述兩個結構很相似。
附錄 3： 消息隊列實例輸出結果：
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
//實際讀出的字節數
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（字節數）
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()調用對msg_ctime有影響
msg uid is 8
msg gid is 8
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參考資料
- UNIX網絡編程第二卷：進程間通信，作者：W.Richard Stevens，譯者：楊繼張，清華大學出版社。對POSIX以及系統V消息隊列都有闡述，對Linux環境下的程序開發有極大的啟發意義。
- linux內核源代碼情景分析（上），毛德操、胡希明著，浙江大學出版社，給出了系統V消息隊列相關的源代碼分析。
- http://www.fanqiang.com/a4/b2/20010508/113315.html，主要闡述linux下對文件的操作，詳細介紹了對文件的存取權限位，對IPC對象的存取權限同樣具有很好的借鑒意義。
- msgget、msgsnd、msgrcv、msgctl手冊
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