Linux进程通信之System V消息队列-嵌入式-火龙果软件工程

Linux进程通信之System V消息队列

火龙果软件发布于 2014-08-04

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System V消息队列是Open Group定义的XSI，不属于POSIX标准。System V IPC的历史相对很早，在上个世70年代后期有贝尔实验室的分支机构开发，80年代加入System V的系统内核中，后来商用UNIX系统基本都加入了System V IPC的功能。

System V消息队列相对于POSIX消息队列的区别主要是：

POSIX消息队列的读操作总是返回消息队列中优先级最高的最早消息，而对于System V消息队列可以返回任意指定优先级（通过消息类型）的消息。

当向一个空消息队列中写入一个消息时，POSIX消息队列允许产生一个信号或启动一个线程，System V消息队列不提供类似的机制。

系统内核都会为每一个System V消息队列维护一个信息结构，在Linux 2.6.18中的定义如下：

<bits/msq.h>
struct msqid_ds
{
struct ipc_perm msg_perm;        /*IPC对象的属性信息和访问权限 */
__time_t msg_stime;              /* time of last msgsnd command */
__time_t msg_rtime;              /* time of last msgrcv command */
__time_t msg_ctime;              /* time of last change */
unsigned long int __msg_cbytes;  /* 当前队列中消息的字节数 */
msgqnum_t msg_qnum;              /* 当前队列中消息的个数 */
msglen_t msg_qbytes;             /* 队列允许存放的最大字节数 */
__pid_t msg_lspid;               /* pid of last msgsnd() */
__pid_t msg_lrpid;               /* pid of last msgrcv() */
//下面是保留字段
#if __WORDSIZE == 32
unsigned long int __unused1;
unsigned long int __unused2;
unsigned long int __unused3;
#endif
unsigned long int __unused4;
unsigned long int __unused5;
};

消息队列的结构可能的设计如下：

1 System V消息队列的创建和打开

System V消息队列的创建和使用会使用下面的函数接口：

#include 
　　int msgget(key_t key, int oflg);
　　//成功返回非负消息队列描述符，失败返回-1

key：消息队列的键，用来创建一个消息队列。System IPC都有一个key，作为IPC的外部标识符，创建成功后返回的描述符作为IPC的内部标识符使用。key的主要目的就是使不同进程在同一IPC汇合。key具体说可以有三种方式生成：

1.不同的进程约定好的一个值；

2.通过相同的路径名和项目ID，调用ftok()函数，生成一个键；

3.还可以设置为IPC_PRIVATE，这样就会创建一个新的，唯一的IPC对象；然后将返回的描述符通过某种方式传递给其他进程；

oflg：指定创建或打开消息队列的标志和读写权限（ipc_perm中的mode成员）。我们知道System V IPC定义了自己的操作标志和权限设置标志，而且都是通过该参数传递，这和open函数存在差别，open函数第三个参数mode用于传递文件的权限标志。System V IPC的操作标志包含：IPC_CREAT，IPC_EXCL，权限设置标志如下图：

下面是创建消息队列的测试代码：

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/msg.h>
using namespace std;
#define  PATH_NAME "/tmp/anonymQueue"
int main(int argc, char **argv)
{
key_t key;
int fd;
if ((fd = open(PATH_NAME, O_CREAT, 0666)) < 0)
{
cout<<"open file "<<PATH_NAME<<"failed.";
cout<<strerror(errno)<<endl;
return -1;
}
close(fd);
key = ftok(PATH_NAME, 0);
int msgID;
if ((msgID = msgget(key, IPC_CREAT | 0666)) < 0)
{
cout<<"open message queue failed...";
cout<<strerror(errno)<<endl;
return -1;
}
cout<<"key:0x"<<hex<<key<<endl;
cout<<"descriptor id:"<<dec<<msgID<<endl;
}

在Linux 2.6.18下运行结果：

key:0x8015
　　descriptor id:917511

实现System V IPC的任何系统都提供两个特殊的程序ipcs和ipcrm。ipcs输出IPC的各种信息，ipcrm则用于删除各种System V IPC。由于System V IPC不属于POSIX标准，所以这两个命令也未被标准化。下面是通过ipcs命令来查看刚刚创建的消息队列。

[root@idcserver program]# ipcs -q -i 917511
　　Message Queue msqid=917511
　　uid=0   gid=0   cuid=0  cgid=0  mode=0666
　　cbytes=0        qbytes=65536    qnum=0  lspid=0 lrpid=0
　　send_time=Not set
　　rcv_time=Not set
　　change_time=Wed Aug  7 16:39:46 2013

2 System V消息队列的使用

System V消息队列的写入消息使用下面的函数接口：

#include <sys/msg.h>
　　int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
　　//成功返回0，失败返回-1

msqid：消息队列的描述符；

msgp：指向存放消息的缓冲区，该缓冲区中包含消息类型和消息体两部分内容。该缓冲区的结构是由用户定义的，在<sys/msg.h>中有关于该缓冲区结构定义的参版考模：

struct msgbuf
　　{
　　long int mtype;             /* type of received/sent message */
　　char mtext[1];              /* text of the message */
　　};

缓冲区的开头是一个long型的消息类型，该消息类型必须是一个非负数。紧跟在消息类型后面的是消息体部分（如果消息长度大于0），参考模版中定义的mtext只是说明消息体，该部分可以自定义长度。我们自己的应用都会定义特定的消息结构。

msgsz：缓冲区中消息体部分的长度；

msgflg：设置操作标志。可以为0，IPC_NOWAIT；用于在消息队列中没有可用的空间时，调用线程采用何种操作方式。

标志为IPC_NOWAIT，表示msgsnd操作以非阻塞的方式进行，在消息队列中没有可用的空间时，msgsnd操作会立刻返回。并指定EAGAIN错误；

标志为0，表示msgsnd操作以阻塞的方式进行，这种情况下在消息队列中没有可用的空间时调用线程会被阻塞，直到下面的情况发生：

等到有存放消息的空间；

消息队列从系统中删除，这种情况下回返回一个EIDRM错误；

调用线程被某个捕捉到的信号中断，这种情况下返回一个EINTR错误；

System V消息队列的读取消息使用下面的函数接口：

#include <sys/msg.h>
　　ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
　　//成功返回接收到的消息的消息体的字节数，失败返回-1

msqid：消息队列的描述符；

msgp：指向待存放消息的缓冲区，该缓冲区中将会存放接收到的消息的消息类型和消息体两部分内容。该缓冲区的结构是由用户定义的，和msgsnd相对应。

msgsz：缓冲区中能存放消息体部分的最大长度，这也是该函数能返回的最大数据量；该字段的大小应该是sizeof(msg buffer) - sizeof(long)；

msgtyp：希望从消息队列中获取的消息类型。

msgtyp为0，返回消息队列中的第一个消息；

msgtyp > 0，返回该消息类型的第一个消息；

msgtyp < 0，返回小于或等于msgtyp绝对值的消息中类型最小的第一个消息；

msgflg：设置操作标志。可以为0，IPC_NOWAIT，MSG_NOERROR；用于在消息队列中没有可用的指定消息时，调用线程采用何种操作方式。

标志为IPC_NOWAIT，表示msgrcv操作以非阻塞的方式进行，在消息队列中没有可用的指定消息时，msgrcv操作会立刻返回，并设定errno为ENOMSG。

标志为0，表示msgrcv操作是阻塞操作，直到下面的情况发生：

消息队列中有一个所请求的消息类型可以获取；

消息队列从系统中删除，这种情况下回返回一个EIDRM错误；

调用线程被某个捕捉到的信号中断，这种情况下返回一个EINTR错误；

标志为MSG_NOERROR，表示接收到的消息的消息体的长度大于msgsz长度时，msgrcv采取的操作。如果设置了该标志msgrcv在这种情况下回截断数据部分，而不返回错误，否则返回一个E2BIG错误。

下面是关于消息队列读写的测试代码：

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/msg.h>
using namespace std;
#define  PATH_NAME "/tmp/anonymQueue"
key_t CreateKey(const char *pathName)
{
int fd;
if ((fd = open(PATH_NAME, O_CREAT, 0666)) < 0)
{
cout<<"open file "<<PATH_NAME<<"failed.";
cout<<strerror(errno)<<endl;
return -1;
}
close(fd);
return ftok(PATH_NAME, 0);
}
int main(int argc, char **argv)
{
key_t key;
key = CreateKey(PATH_NAME);
int msgID;
if ((msgID = msgget(key, IPC_CREAT | 0666)) < 0)
{
cout<<"open message queue failed...";
cout<<strerror(errno)<<endl;
return -1;
}
if (fork() == 0)
{
char msg[] = "cute yuki...";
char *msgBuf = new char[sizeof(long) + sizeof(msg)];
long mtype = 1;
memmove(msgBuf, &mtype, sizeof(mtype));
memmove(msgBuf + sizeof(mtype), msg, sizeof(msg));
for (int i = 1; i <= 5; ++i)
{
if (msgsnd(msgID, msgBuf, sizeof(msg), 0) < 0)
{
cout<<"send message "<<i<<"failed...";
cout<<strerror(errno)<<endl;
continue;
}
cout<<"child: send message "<<i<<" success..."<<endl;
sleep(1);
}
exit(0);
}
char msgBuf[256];
long mtype;
int recvLen;
for (int i = 1; i <= 5; ++i)
{
recvLen = msgrcv(msgID, msgBuf, 256 - sizeof(long), 0, 0);
if (recvLen < 0)
{
cout<<"receive message failed...";
cout<<strerror(errno)<<endl;
continue;
}
memmove(&mtype, msgBuf, sizeof(long));
cout<<"parent receive a message:"<<endl;
cout<<"message type:"<<mtype<<endl;
cout<<"message body:"<<msgBuf + sizeof(long)<<endl;
}
return 0;
}

在Linux 2.6.18下的执行结果为：

child: send message 1 success...
parent receive a message:
message type:1
message body:cute yuki...
child: send message 2 success...
parent receive a message:
message type:1
message body:cute yuki...
child: send message 3 success...
parent receive a message:
message type:1
message body:cute yuki...
child: send message 4 success...
parent receive a message:
message type:1
message body:cute yuki...
child: send message 5 success...
parent receive a message:
message type:1
message body:cute yuki...

3 System V消息队列的控制操作

对System V消息队列的删除，属性的设置和获取等控制操作要使用下面的函数接口：

#include <sys/msg.h>
　　int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
　　//成功返回0，失败返回-1

msqid：消息队列的描述符；

cmd：控制操作的命令，SUS标准提供以下三个命令：

IPC_RMID，删除一个消息队列。执行该命令系统会立刻把该消息队列从内核中删除，该消息队列中的所有消息将会被丢弃。这和已经讨论过的POSIX消息队列有很大差别，POSIX消息队列通过调用mq_unlink来从内核中删除一个消息队列，但消息队列的真正析构会在最后一个mq_close结束后发生。

IPC_SET，根据buf的所指的值来设置消息队列msqid_ds结构中的msg_perm.uid，msg_perm.gid，msg_perm.mode，msg_qbytes四个成员。

IPC_STAT，通过buf返回当前消息队列的msqid_ds结构。

在Linux下还有例如IPC_INFO，MSG_INFO等命令，具体可以参考Linux手册；

buf：指向msqid_ds结构的指针；

下面是测试代码：

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/msg.h>
using namespace std;
#define  PATH_NAME "/tmp/anonymQueue"
key_t CreateKey(const char *pathName)
{
int fd;
if ((fd = open(PATH_NAME, O_CREAT, 0666)) < 0)
{
cout<<"open file "<<PATH_NAME<<"failed.";
cout<<strerror(errno)<<endl;
return -1;
}
close(fd);
return ftok(PATH_NAME, 0);
}
int main(int argc, char **argv)
{
key_t key;
key = CreateKey(PATH_NAME);
int msgID;
if ((msgID = msgget(key, IPC_CREAT | 0666)) < 0)
{
cout<<"open message queue failed...";
cout<<strerror(errno)<<endl;
return -1;
}
msqid_ds msgInfo;
msgctl(msgID, IPC_STAT, &msgInfo);
cout<<"msg_qbytes:"<<msgInfo.msg_qbytes<<endl;
cout<<"msg_qnum:"<<msgInfo.msg_qnum<<endl;
cout<<"msg_cbytes:"<<msgInfo.msg_cbytes<<endl;
return 0;
}

在Linux 2.6.18下的执行结果为：

msg_qbytes:65536
msg_qnum:2
msg_cbytes:26

关于消息队列中允许存放最大的字节数可以通过IPC_SET命令进行修改，该修改只能针对本消息队列生效。如下测试代码：

int main(int argc, char **argv)
{
key_t key;
key = CreateKey(PATH_NAME);
int msgID;
if ((msgID = msgget(key, IPC_CREAT | 0666)) < 0)
{
cout<<"open message queue failed...";
cout<<strerror(errno)<<endl;
return -1;
}
msqid_ds msgInfo;
msgctl(msgID, IPC_STAT, &msgInfo);
cout<<"msg_qbytes:"<<msgInfo.msg_qbytes<<endl;
cout<<"msg_qnum:"<<msgInfo.msg_qnum<<endl;
cout<<"msg_cbytes:"<<msgInfo.msg_cbytes<<endl;
msgInfo.msg_qbytes = 6553600;
if (msgctl(msgID, IPC_SET, &msgInfo) < 0)
{
cout<<"set message queue failed...";
cout<<strerror(errno)<<endl;
return -1;
}
msgctl(msgID, IPC_STAT, &msgInfo);
cout<<"msg_qbytes:"<<msgInfo.msg_qbytes<<endl;
cout<<"msg_qnum:"<<msgInfo.msg_qnum<<endl;
cout<<"msg_cbytes:"<<msgInfo.msg_cbytes<<endl;
return 0;
}

在Linux 2.6.18下的执行结果为：

msg_qbytes:65536
　　msg_qnum:0
　　msg_cbytes:0
　　msg_qbytes:6553600
　　msg_qnum:0
　　msg_cbytes:0

4 System V消息队列的内核限制

对System V IPC，系统往往会存在一些限制，对于消息队列，在Linux2.6.18中，系统内核存在以下限制：

[root@idcserver program]# sysctl -a |grep msg
　　kernel.msgmnb = 65536 //一个消息队列上允许的最大字节数
　　kernel.msgmni = 16 //系统范围内允许存在的最大消息队列数
　　kernel.msgmax = 65536     //每个消息的最大字节数

对于System V消息队列一般内核还有一个限制：系统范围内的最大消息数，在Linux下这个限制由msgmnb*msgmni决定。

上面已经说过可以通过IPC_SET来设置使用中的消息队列的最大字节数。但是要在系统范围内对内核限制进行修改，在Linux下面可以通过修改/etc/sysctl.conf内核参数配置文件，然后配合sysctl命令来对内核参数进行设置。例如下面示例：

[root@idcserver program]#echo "kernel.msgmnb = 6553600" >>/etc/sysctl.conf
　　[root@idcserver program]#echo "kernel.msgmni = 100" >>/etc/sysctl.conf
　　[root@idcserver program]#echo "kernel.msgmax = 6553600" >>/etc/sysctl.conf
　　[root@idcserver program]#sysctl -p
　　[root@idcserver program]# sysctl -a |grep msg
　　kernel.msgmnb = 6553600
　　kernel.msgmni = 100
　　kernel.msgmax = 6553600

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