UNIX环境高级编程——system V消息队列

unix早期通信机制中的信号能够传送的信息量有限，管道则只能传送无格式字节流，这远远是不够的。
     消息队列（也叫报文队列）客服了这些缺点：
     消息队列就是一个消息的链表。
     可以把消息看作一个记录，具有特定的格式。
     进程可以按照一定的规则向消息队列中添加新消息；另一些进程可以从消息队列中读走消息。

消息队列是随内核持续的，只有内核重启或人工删除时，该消息队列才会被删除。   

system V消息队列使用消息队列标识符标识。具有足够特权的任何进程都可以往一个给定队列放置一个消息，具有足够特权的任何进程都可以从一个给定队列读出一个消息。

消息队列具有一定的FIFO特性，但是它可以实现消息的随机查询，比FIFO具有更大的优势。同时这些消息又存在于内核中，由“队列”ID来标识消息队列的实现包括创建或打开消息队列，添加消息，读取消息和控制消息队列这四种操作。

对于系统中的每个消息队列，内核维护一个定义在<sys/msg.h>头文件中的信息结构。

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 */
};

我们可以将内核中的某个特定的消息队列画为一个消息链表，如图假设有一个具有三个消息的队列，消息长度分别为1字节，2字节和3字节，而且这些消息就是以这样的顺序写入该队列的。再假设这三个消息的类型分别为100,200,300.

1.msgget函数

msgget函数用于创建一个新的消息队列或访问一个已存在的消息队列。

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

返回值是一个整数标识符，其他三个msg函数就用它来指代该队列。它是基于指定的key产生的，而key即可以是ftok的返回值，也可以是常值IPC_PRIVATE。

oflag是读写权限值得组合。它还可以与IPC_CREAT或IPC_CREAT | IPC_EXCL按位或，IPC_NOWAIT --- 读写消息队列要求无法得到满足时，不阻塞。

当创建一个新消息队列时，msqid_ds结构的如下成员被初始化。

（1）msg_perm结构的uid和cuid成员被设置成当前进程的有效用户ID，gid和cgid成员被设置成当前进程的有效组ID。

（2）oflag中的读写权限位存放在msg_perm.mode中。

（3）msg_qnum,msg_lspid,msg_lrpid,msg_stime和msg_rtime被置为0.

（4）msg_ctime被设置成当前时间。

（5）msg_qbytes被设置成系统限制值。

huangcheng@ubuntu:~$ ipcs -q  ----查看消息队列
 
------ Message Queues --------
key        msqid      owner      perms      used-bytes   messages

2.msgsnd函数

使用msgget函数打开一个消息队列后，我们使用msgsnd往其上放置一个消息。

#include <sys/msg.h>
int msgsnd(int msgid,const void *ptr,size_t length,int flag);

其中msqid是由msgget返回的标识符。ptr是一个结构指针，该结构具有如下模板，它定义在<sys/msg.h>中。

           struct msgbuf {
               long mtype;       /* message type, must be > 0 */
               char mtext[1];    /* message data */
           };

msgsnd的length参数以字节为单位指定待发送消息的长度。这是位于长整数消息类型之后的用户自定义数据的长度（注意：不包括消息类型）。该长度可以是0.

flag参数既可以是0，也可以是IPC_NUWAIT。IPC_NOWAIT标志使得msgsnd调用非阻塞：如果没有存放新消息的可用空间（即消息队列已满），该函数马上返回。这个条件发生的情形包括：

（1）在指定的队列中已有太多的字节（对于该队列的msqid_ds结构中的msg_qbytes值）；

（2）在系统范围存在太多的消息。

如果这两个条件中有一个存在，而且IPC_NUWAIT标志已指定，msgsnd就返回一个EAGAIN错误。如果这两个条件有一个存在，但是IPC_NUWAIT标志未指定，那么调用线程被投入睡眠直到：

（1）具备存放新消息的空间；

（2）由msqid标志的消息队列从系统中删除（这种情况下返回一个EIDRM错误）；

（3）调用线程被某个捕获的信号所中断（这种情况下返回一个EINTR错误）。

3.msgrcv函数

使用msgrcv函数从某个消息队列中读取一个消息。

#include <sys/msg.h>
ssize_t msgrcv(int msqid,void *ptr,size_t lengh,long type,int flag);

其中ptr参数指定所接收消息的存放位置。跟msgsnd一样，该指针指向紧挨在真正的消息数据之前返回的长整数类型字段。

length指定了由ptr指向的缓冲区中数据部分的大小。这是该函数能返回的最大数据量。该长度不包括长整数类型字段。

type指定希望从所给定的队列中读出什么样的消息。

（1）如果type为0，那就返回该队列中的第一个消息，既然每个消息队列都是作为一个FIFO链表维护的，因此type为0指定返回该队列中最早的消息。

（2）如果type大于0，那就返回其类型值为type的第一个消息。

（3）如果type小于0，那就返回其类型小于或等于type参数的绝对值的消息中类型值最小的第一个消息。

msgrcv的flag参数指定所请求类型的消息不在所指定的队列中时该做何处理。在没有消息可得的情况下，如果设置了flag中的IPC_NOWAIT位，msgrcv函数就立即返回一个ENOMSG错误。否则，设置了flag为0，调用者被阻塞到下列某个事件发生为止：

（1）有一个所请求类型的消息可获取；

（2）由msqid标志的消息队列从系统中删除（这种情况下返回一个EIDRM错误）；

（3）调用线程被某个捕获的信号所中断（这种情况下返回一个EINTR错误）。

flag参数中另有一位可以指定：MSG_NOERROR。当所接收消息的真正数据部分大于length参数时，如果设置了该位，msgrcv函数就只是截短数据部分，而不返回错误。否则，ms_grcv返回一个E2BIC错误。

成功返回时，msgrcv返回的是所接收消息中数据的字节数。它不包括也通过ptr参数返回的长整数消息类型所需的几个字节。

4.msgctl函数

msgctl函数提供在一个消息队列上的各种控制操作。

#include <sys/msg.h>
int msgctl(int msqid,int cmd,struct msqid_ds *buf);

msgctl函数提供3个命令。

IPC_RMID   从系统中删除由msqid指定的消息队列。当前在该队列上的任何消息都被丢弃。对于该命令而言，msgctl函数的第三个参数被忽略。

IPC_SET     给所指定的消息队列设置其msgid_ds结构的以下4个成员：msg_perm.uid,msg_perm.gid,msg_perm.mode和msg_qbytes。他们的值来自buff参数指向的结构中的相应的成员。

IPC_STAT   读取消息队列的属性，并将其保存在buf指向的缓冲区中。

msgrcv.c用于接收消息，msgsend.c用于发送消息：

msgrcv.c

/* Here's the receiver program. */
 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
 
#include <sys/msg.h>
 
struct my_msg_st {
    long int my_msg_type;
    char some_text[BUFSIZ];
};
 
int main()
{
    int running = 1;
    int msgid;
    struct my_msg_st some_data;
    long int msg_to_receive = 0;
 
/* First, we set up the message queue. */
 
    msgid = msgget((key_t)1234, 0666 | IPC_CREAT);
 
    if (msgid == -1) {
        fprintf(stderr, "msgget failed with error: %d\n", errno);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
 
/* Then the messages are retrieved from the queue, until an end message is encountered.
 Lastly, the message queue is deleted. */
 
    while(running) {
        if (msgrcv(msgid, (void *)&some_data, BUFSIZ,msg_to_receive, 0) == -1) {
            fprintf(stderr, "msgrcv failed with error: %d\n", errno);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        printf("You wrote: %s", some_data.some_text);
        if (strncmp(some_data.some_text, "end", 3) == 0)
            running = 0;
    }
 
    if (msgctl(msgid, IPC_RMID, 0) == -1) {
        fprintf(stderr, "msgctl(IPC_RMID) failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
 
    exit(EXIT_SUCCESS);
} 

msgsend.c

/* The sender program is very similar to msg1.c. In the main set up, delete the
 msg_to_receive declaration and replace it with buffer[BUFSIZ], remove the message
 queue delete and make the following changes to the running loop.
 We now have a call to msgsnd to send the entered text to the queue. */
 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
 
#include <sys/msg.h>
 
#define MAX_TEXT 512
 
struct my_msg_st {
    long int my_msg_type;
    char some_text[MAX_TEXT];
};
 
int main()
{
    int running = 1;
    struct my_msg_st some_data;
    int msgid;
    char buffer[BUFSIZ];
 
    msgid = msgget((key_t)1234, 0666 | IPC_CREAT);
 
    if (msgid == -1) {
        fprintf(stderr, "msgget failed with error: %d\n", errno);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
 
    while(running) {
        printf("Enter some text: ");
        fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);
        some_data.my_msg_type = 1;
        strcpy(some_data.some_text, buffer);
 
        if (msgsnd(msgid, (void *)&some_data, MAX_TEXT, 0) == -1) {
            fprintf(stderr, "msgsnd failed\n");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        if (strncmp(buffer, "end", 3) == 0)
            running = 0;
     }
 
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

运行结果：

huangcheng@ubuntu:~$ ./msgsend
Enter some text: ctt
Enter some text: huangcheng
Enter some text: end
 
huangcheng@ubuntu:~$ ./msgrcv
You wrote: ctt
You wrote: huangcheng
You wrote: end