【Linux】消息传递的艺术：探索Linux消息队列机制-linux运维-PHP中文网

【Linux】消息传递的艺术：探索Linux消息队列机制

看不見的法師

发布： 2025-06-19 15:36:33

原创

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本文讨论的是system v版本的消息队列。

前言

共享内存不涉及同步、互斥以及异步。System V是一种经典的UNIX进程间通信（IPC）机制，提供了一套API来支持进程之间的高效数据交换和同步。消息队列和信号量是其中的两个关键部分，它们各自解决了不同的通信和同步问题，但都基于System V的IPC框架。虽然System V IPC功能强大，但其接口较为复杂，现代系统中逐渐被POSIX IPC替代。

什么是消息队列

消息队列（Message Queue）是进程间通信（IPC）的一种方式，通过将消息存入内核维护的队列中，实现异步的进程数据传递。与管道不同，消息队列不仅允许不同大小的数据块传递，还支持消息的优先级排序，从而提供了更灵活的通信机制。

1.1 消息队列的特点

异步通信：发送方和接收方不需要同时进行，消息会存储在队列中，直到接收方读取。
持久性：消息队列由内核维护，即使发送方或者接收方意外退出，消息仍然保留在队列中。
消息分类：每个消息都有一个消息类型，可以根据类型有选择地读取特定消息。
容量限制：消息队列的大小是有限制的，需要合理地管理和清空，避免队列满导致堵塞。

1.2 消息队列的核心概念

标识符：消息队列使用一个唯一的标识符（Queue ID）来区分。
消息类型：每条消息包含一个正整数的类型，用户可以根据类型选择性地读取消息。
结构：消息队列实际传输的数据内容，消息长度（消息的字节数），消息类型分类标识。

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消息队列遍历消息时，存数据块还是取数据块，取决于数据块中的类型type。

1.3 消息队列的数据结构

我们使用man手册来查看，输入man msgctl。

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消息队列的数据结构：

struct msqid_ds {
   struct ipc_perm msg_perm;   /* Ownership and permissions */
   time_t          msg_stime;  /* Time of last msgsnd(2) */
   time_t          msg_rtime;  /* Time of last msgrcv(2) */
   time_t          msg_ctime;  /* Time of creation or last modification by msgctl() */
   unsigned long   msg_cbytes; /* # of bytes in queue */
   msgqnum_t       msg_qnum;   /* # number of messages in queue */
   msglen_t        msg_qbytes; /* Maximum # of bytes in queue */
   pid_t           msg_lspid;  /* PID of last msgsnd(2) */
   pid_t           msg_lrpid;  /* PID of last msgrcv(2) */
};

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我们要注意类型为struct ipc_perm这个类型，该类型在共享内存的数据结构中也出现过。下面是它的具体内容：

struct ipc_perm {
   key_t          __key;       /* Key supplied to msgget(2) */
   uid_t          uid;         /* Effective UID of owner */
   gid_t          gid;         /* Effective GID of owner */
   uid_t          cuid;        /* Effective UID of creator */
   gid_t          cgid;        /* Effective GID of creator */
   unsigned short mode;        /* Permissions */
   unsigned short __seq;       /* Sequence number */
};

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1.4 消息队列的使用

如果你已经学习过共享内存，那么消息队列的使用也一定会得心应手的。

1.4.1 创建消息队列

使用msgget函数来创建消息队列。msgget是用于创建或访问System V消息队列的系统调用。它根据指定的键值创建或获取一个消息队列标识符，用于后续的消息操作。

#include <sys>
#include <sys>
#include <sys>
int msgget(key_t key, int msgflg);

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使用方法和shmget高度相似。

参数说明：

key：一个唯一标识消息队列的值。常通过ftok函数生成，也可以直接使用整数值（不推荐）。
msgflg：用于指定消息队列的权限和行为。
- 访问权限：权限掩码。
- 行为控制：IPC_CREAT：如果队列不存在那么创建；IPC_EXCL：需要与IPC_CREAT结合使用，单独使用没有意义。表示如果队列已经存在，那么返回错误。

返回值：

成功：返回消息队列的标识符msgid。
失败：返回-1。

是不是和shmget相似，简直一模一样啊！如果你没有看过我的共享内存文章，推荐一看，会对你理解消息队列也是有帮助的哦~ 【Linux】「共享内存揭秘」：高效进程通信的终极指南-CSDN博客。

还是老样子，我们先创建一个共享区域：common.hpp。

#include <iostream>
#include <sys>
#include <sys>
#include <sys>
#include <assert.h>
#define PATHNAME "./"
#define PROJ_ID 0x3f
const mode_t mode = 0666;
key_t getKey(){
    /**
     * :return 返回key值
     * @return
     */
    key_t ret = ftok(PATHNAME,PROJ_ID);
    assert(ret!=-1);
    return ret;
}
int creatMsg(){
    /**:function 创建消息队列
     * :return 返回msgid
     * @return
     */
    int msgid = msgget(getKey(),IPC_CREAT|IPC_EXCL|mode);
    assert(msgid!=-1);
    return msgid;
}

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然后创建一个消息队列。

#include "common.hpp"
int main(){
    //创建消息队列
    int msgid = creatMsg();
    return 0;
}

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运行后，我们在命令行输入指令ipcs -q。

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由于现在我们并没有使用消息队列，其used-bytes和消息数messages都是0。消息队列的生命周期也是跟随操作系统的，并不会因为进程的结束而结束。

1.4.2 释放消息队列

同共享内存一样，你可以通过指令或者程序中的函数来将消息队列释放。

释放指令：ipcrm -q msqid。

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函数释放：msgctl。例行惯例，我们先在介绍msgctl。

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

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参数说明：

msqid：消息队列的标识符（由msgget返回）。
cmd：指定要执行的操作：
- IPC_STAT：获取消息队列的当前状态，并将其存储到buf中。
- IPC_SET：设置消息队列的属性（使用buf中的数据）。
- IPC_RMID：删除消息队列。
buf：指向struct msqid_ds的指针，表示消息队列的状态和属性。对于IPC_STAT和IPC_SET，需要使用此参数；对IPC_RMID则可以为NULL。

返回值：

成功返回0，失败返回-1。

只是释放消息队列，函数的使用就是套路了。

msgctl(msqid,IPC_RMID,nullptr);

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1.4.3 使用消息队列发送消息

为了将数据发送到消息队列，现在需要的函数为msgsnd。msgsnd是用于向System V消息队列发送消息的系统调用。它将一条消息放入消息队列中，以实现进程间通信。

#include <sys>
#include <sys>
#include <sys>
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

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参数说明：

msqid：消息队列的标识符，由msgget返回。
msgp：指向消息数据的指针。这个指针指向的结构必须包含一个long类型的成员（用于存储消息类型），后面跟随实际的数据。
msgsz：消息正文部分的大小（以字节为单位，不包括消息类型字段）。
msgflg：标志选项，用于控制消息发送行为：
- IPC_NOWAIT：如果消息队列已满，则不阻塞，立即返回错误。默认情况下，如果队列满，调用会阻塞直到有空间可用。

返回值：

成功：0。
失败：-1。

关于参数2，表示的是待发送的数据块，是一个结构体，我们需要自己定义。

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

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1.4.4 使用消息队列接收消息

为了接收消息，同样我们还需要一个函数msgrcv。msgrcv是一个用于从System V消息队列中接收消息的系统调用。通过它，进程可以从指定的消息队列中读取一条符合条件的消息。

#include <sys>
#include <sys>
#include <sys>
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

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参数说明：

msqid：消息队列的标识符，由msgget返回。用于标识从哪个队列中接收消息。
msgp：指向一个用户定义的消息缓冲区。该缓冲区的第一个字段必须是long类型的消息类型mtype，后续是消息正文。示例消息缓冲区定义：

struct msgbuf {
     long mtype;       // 消息类型
     char mtext[MSGSZ]; // 消息正文
};

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msgsz：指定消息正文mtext的大小（以字节为单位）。如果接收到的消息大小超过该值，行为将根据msgflg参数决定。
msgtyp：指定要接收的消息类型：
- >0：接收队列中类型等于msgtyp的第一条消息。
- 0：接收队列中的第一条消息，不论类型。
msgflg：控制消息接收行为的标志，可选值包括：
- IPC_NOWAIT：如果没有符合条件的消息，函数立即返回-1，而不是阻塞。
- MSG_NOERROR：如果消息正文大小超过msgsz，多余部分将被截断，而不是导致错误。

common.hpp：

#include <iostream>
#include <sys>
#include <sys>
#include <sys>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#define PATHNAME "./"
#define PROJ_ID 0x3f
#define MSGSZ 128
const mode_t mode = 0666;
key_t getKey(){
    /**
     * :return 返回key值
     * @return
     */
    key_t ret = ftok(PATHNAME,PROJ_ID);
    assert(ret!=-1);
    return ret;
}
int creatMsg(){
    /**:function 创建消息队列
     * :return 返回msgid
     * @return
     */
    int msgid = msgget(getKey(),IPC_CREAT|IPC_EXCL|mode);
    assert(msgid!=-1);
    return msgid;
}
int getMsg(){
    /**:function 获取消息队列
     * :return 返回msgid
     * @return
     */
    int msgid = msgget(getKey(),IPC_CREAT);
    assert(msgid!=-1);
    return msgid;
}

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client.cc用于向server.cc发送消息。

/**
 * 用户端发送消息
 */
#include "common.hpp"
struct my_msgbuf{
    long mtype;
    char mtext[MSGSZ];//MSGSZ为新定义的标识常量：128
};
int main(){
    int msgid = creatMsg();
    struct my_msgbuf msg;
    msg.mtype = 1;//设置消息类型
    strcpy(msg.mtext,"hello,Message Queue!");
    //开始发送消息
    int n = msgsnd(msgid,&msg,strlen(msg.mtext)+1,0);
    assert(n!=-1);
    std::cout << "消息已发送：" << msg.mtext << std::endl;
    return 0;
}

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server.cc用于接收client.cc消息。

/**
 * 服务端接收消息
 */
#include "common.hpp"
struct my_msgbuf{
    long mtype;
    char mtext[MSGSZ];//MSGSZ为新定义的标识常量：128
};
int main(){
    int msgid = getMsg();
    struct my_msgbuf msg;
    //开始接受信息
    ssize_t n = msgrcv(msgid,&msg,MSGSZ,1,0);
    assert(n!=-1);
    std::cout << "接收到消息：" << msg.mtext << std::endl;
    return 0;
}

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执行效果：

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