58-System V 消息队列

在有了共享内存的基础后，消息队列对你来说就是 A piece of cake 了。同样我们需要创建消息队列的内核对象，获取它的 id，然后操控它。

1. 消息队列简介

消息队列本质上是位于内核空间的链表，链表的每个节点都是一条消息。每一条消息都有自己的消息类型，消息类型用整数来表示，而且必须大于 0.

每种类型的消息都被对应的链表所维护，图1 展示了内核空间的一个消息队列：

图1 位于内核空间的消息队列

其中数字 1 表示类型为 1 的消息，数字2、3、4 类似。彩色块表示消息数据，它们被挂在对应类型的链表上。

值得注意的是，刚刚说过没有消息类型为 0 的消息，实际上，消息类型为 0 的链表记录了所有消息加入队列的顺序，其中红色箭头表示消息加入的顺序。

2. 消息队列相关的函数

// 创建和获取 ipc 内核对象
int msgget(key_t key, int flags);
// 将消息发送到消息队列
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
// 从消息队列获取消息
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
// 查看、设置、删除 ipc 内核对象（用法和 shmctl 一样）
int msgctl(int msqid, int cmd, struct

上面的函数，除了 ​​msgsnd​​​和​​msgrcv​​ 你可能比较陌生，其它两个函数，相信你已经无比熟悉了，即使你没有学过它。所以，本文只介绍 msgsnd 和 msgrcv 的用法。

3. 消息数据格式

无论你是发送还是接收消息，消息的格式都必须按照规范来。简单的说，它一般长成下面这个样子：

struct Msg{
    long type; // 消息类型。这个是必须的，而且值必须 > 0，这个值被系统使用
    // 消息正文，多少字节随你而定
    // ...

所以，只要你保证首4字节(32 位 linux 下的 long)是一个整数就行了.

举个例子：

struct Msg {
    long type;
    char name[20];
    int age;
} msg;

struct Msg {
    long type;
    int start;
    int end;
} msg;

从上面可以看出，正文部分是什么数据类型都没关系，因为消息队列传递的是 2 进制数据，不一定非得是文本。

4. msgsnd 函数

msgsnd 函数用于将数据发送到消息队列。如果该函数被信号打断，会设置 errno 为 EINTR。

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int

• 参数 msqid：ipc 内核对象 id
• 参数 msgp：消息数据地址
• 参数 msgsz：消息正文部分的大小（不包含消息类型）
• 参数 msgflg：可选项

• 该值为 0：如果消息队列空间不够，msgsnd 会阻塞。
• IPC_NOWAIT：直接返回，如果空间不够，会设置 errno 为 EAGIN.

• 返回值：0 表示成功，-1 失败并设置 errno。

5. msgrcv 函数

msgrcv 函数从消息队列取出消息后，并将其从消息队列里删除。

ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int

• 参数 msqid：ipc 内核对象 id
• 参数 msgp：用来接收消息数据地址
• 参数 msgsz：消息正文部分的大小（不包含消息类型）
• 参数 msgtyp：指定获取哪种类型的消息

• msgtyp = 0：获取消息队列中的第一条消息
• msgtyp > 0：获取类型为 msgtyp 的第一条消息，除非指定了 msgflg 为 MSG_EXCEPT，这表示获取除了 msgtyp 类型以外的第一条消息。
• msgtyp < 0：获取类型 ≤|msgtyp|

• 参数 msgflg：可选项。

• 如果为 0 表示没有消息就阻塞。
• IPC_NOWAIT：如果指定类型的消息不存在就立即返回，同时设置 errno 为 ENOMSG
• MSG_EXCEPT：仅用于 msgtyp > 0 的情况。表示获取类型不为 msgtyp 的消息
• MSG_NOERROR：如果消息数据正文内容大于 msgsz，就将消息数据截断为 msgsz

6. 实例

程序 msg_send 和 msg_recv 分别用于向消息队列发送数据和接收数据。

6.1 msg_send

msg_send 程序定义了一个结构体 Msg，消息正文部分是结构体 Person。该程序向消息队列发送了 10 条消息。

// msg_send.c
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define ASSERT(prompt,res) if((res)<0){perror(#prompt);exit(-1);}

typedef struct {
  char name[20];
  int age;
}Person;

typedef struct {
  long type;
  Person person;
}Msg;

int main(int argc, char *argv) {
  int id = msgget(0x8888, IPC_CREAT | 0664);
  ASSERT(msgget, id);

  Msg msg[10] = { 
    {1, {"Luffy", 17}},
    {1, {"Zoro", 19}},
    {2, {"Nami", 18}},
    {2, {"Usopo", 17}},
    {1, {"Sanji", 19}},
    {3, {"Chopper", 15}},
    {4, {"Robin", 28}},
    {4, {"Franky", 34}},
    {5, {"Brook", 88}},
    {6, {"Sunny", 2}} 
  };  

  int i;
  for (i = 0; i < 10; ++i) {
    int res = msgsnd(id, &msg[i], sizeof(Person), 0); 
    ASSERT(msgsnd, res);
  }

  return 0;
}

程序 msg_send 第一次运行完后，内核中的消息队列大概像下面这样：

图1 第一次执行完 msg_send 后的消息队列

6.2 msg_recv

msg_recv 程序接收一个参数，表示接收哪种类型的消息。比如​​./msg_recv 4​​ 表示接收类型为 4 的消息，并打印在屏幕。

// msg_recv.c
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>


#define ASSERT(prompt,res) if((res)<0){perror(#prompt);exit(-1);}

typedef struct {
  char name[20];
  int age;
}Person;

typedef struct {
  long type;
  Person person;
}Msg;

void printMsg(Msg *msg) {
  printf("{ type = %ld, name = %s, age = %d }\n", 
      msg->type, msg->person.name, msg->person.age);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc < 2) {
    printf("usage: %s <type>\n", argv[0]);
    return -1; 
  }

  // 要获取的消息类型
  long type = atol(argv[1]);

  // 获取 ipc 内核对象 id
  int id = msgget(0x8888, 0); 

  // 如果错误就退出
  ASSERT(msgget, id);

  Msg msg;
  int res;

  while(1) {
    // 以非阻塞的方式接收类型为 type 的消息 
    res = msgrcv(id, &msg, sizeof(Person), type, IPC_NOWAIT);
    if (res < 0) {
      // 如果消息接收完毕就退出，否则报错并退出
      if (errno == ENOMSG) {
        printf("No message!\n");
        break;
      }   
      else {
        ASSERT(msgrcv, res);
      }   
    }   
    // 打印消息内容
    printMsg(&msg);
  }   
  return 0;
}

6.3 编译

$ gcc msg_send.c -o msg_send
$ gcc msg_recv.c -o msg_recv

6.4 运行

先运行 msg_send，再运行 msg_recv。

• 接收所有消息

$ ./msg_send
$ ./msg_recv 0

图3 接收所有消息

• 接收类型为 4 的消息

$ ./msg_send
$ ./msg_recv 4

图4 接收类型为 4 的消息

• 接收类型小于等于 3 的所有消息

接上例，这里不用再 ./msg_send 了。

$ ./msg_recv -3

图5 接收类型小于等于 3 的所有消息

7. 总结

• 理解消息队列的实现原理
• 掌握 msgsnd 和 msgrcv 函数

练习：使用 msgctl 函数，打印 ipc 内核对象的信息，删除 ipc 内核对象。