【原理剖析】4-进程间通信方式之消息队列

概述：知识点

• Linux 消息队列方式原理介绍
• Linux 消息队列相关 API 介绍

0x01 Linux 消息队列

消息队列 (也叫做报文队列)是 Unix 系统 V 版本中 3 种进程间通信机制之一。另外两种是信号量和共享内存。这些 IPC 机制使用共同的授权方法。只有通过系统调用将标志符传递给核心之后，进程才能存取这些资源。这种系统 IPC 对象使用的控制方法和文件系统非常类似。使用对象的引用标志符作为资源表中的索引。

消息队列就是一个消息的链表。就是把消息看作一个记录，并且这个记录具有特定的格式以及特定的优先级。对消息队列有写权限的进程可以按照一定的规则添加新消息；对消息队列有读权限的进程则可以从消息队列中读出消息。

Linux 采用消息队列的方式来实现消息传递。这种消息的发送方式是：发送方不必等待接收方检查它所收到的消息就可以继续工作下去，而接收方如果没有收到消息也不需等待。这种通信机制相对简单，但是应用程序使用起来就需要使用相对复杂的方式来应付了。新的消息总是放在队列的末尾，接收的时候并不总是从头来接收，可以从中间来接收。

消息队列是随内核持续的并和进程相关，只有在内核重起或者显示删除一个消息队列时，该消息队列才会真正被删除。因此系统中记录消息队列的数据结构 (struct ipc_ids msg_ids)位于内核中，系统中的所有消息队列都可以在结构 msg_ids 中中找到访问入口。

IPC 标识符：每一个 IPC 目标都有一个唯一的 IPC标识符 。这里所指的 IPC目标 是指一个单独的消息队列、一个信号量集或者一个共享的内存段。系统内核使用此标识符在系统内核中指明 IPC目标 。

IPC关键字 ：想要获得唯一的标识符，则必须使用一个 IPC关键字 。客户端进程和服务器端进程必须双方都同意此关键字。这是建立一个客户机/服务器框架的第一步。在 System V IPC 机制中，建立两端联系的路由方法是和 IPC关键字 直接相关的。通过在应用程序中设置关键字值，每一次使用的关键字都可以是相同的。一般情况下，可以使用 ftok() 函数为客户端和服务器端产生关键字值。

0x02 Linux消息队列使用步骤

• 创建或打开消息队列。使用的函数是 msgget()，这里创建的消息队列的数量会受到系统消息队列数量的限制。
• 添加消息。使用的函数是 msgsnd()，它把消息添加到已打开的消息队列末尾。
• 读取消息。使用的函数是 msgrcv()，它把消息从消息队列中取走，与 FIFO 不同的是，这里可以取走指定的某一条消息。
• 控制消息队列。使用的函数是 msgctl()，它可以完成多项功能。

0x03 Linux消息队列相关 API 介绍

在 Linux 操作系统中，我们可以通过使用 msgget() 函数来创建和打开消息队列，具体描述如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int msgflg)
/*
参数：
- key 消息队列键值，多个进程可以通过这个 ID 值来访问同一个消息队列，其中有个特殊值 `IPC_PRIVATE` 用于创建当前进程的私有消息队列
- msgflg 权限标志位
返回值：
    成功返回消息队列 ID， 失败返回 -1
*/

向已经被创建和打开的消息队列中发送数据，可以使用 msgsnd() 函数，具体描述如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg)
/*
参数：
- msqid 消息队列的队列 ID
- msgp  执行消息结构的指针，该消息结构 `msgbuf` 通常如下：
        struct msgbuf{
            long mtype; //消息类型
            char mtext[1];//消息正文
        }
- msgsz 消息正文的字节数
- msgflg  如下：
        `IPC_NOWAIT`:若消息无法立即发生（当前消息队列已满，函数立即返回
        0：msgsnd() 调用阻塞知道发送成功为止
函数返回值：
    成功返回 0， 失败返回 -1
*/

对于消息队列的接收，在程序中可以通过调用 msgrcv() 来进行读取数据，如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long int msgtyp, int msgflg)
/*
参数：
- msqid 消息队列的队列 ID
- msgp  消息缓冲区
- msgsz 正文字节数
- msgtyp 描述如下：
        0：接收消息队列中第一个消息
        大于0：接收消息队列中第一个类型为 msgtyp 的消息
        小于0：接收消息队列中第一个类型值不小于 msgtyp 绝对值且值最小的消息
- msgflg    描述如下：
        - MSG_NOERROR：若返回的消息比 msgsz 字节多，则消息就会截断到 msgsz 字节，且不会通知消息到进程
        - IPC_NOWAIT:若消息队列中没有相应类型的消息可以接收，则函数会立即返回
        - 0：函数调用阻塞等待接收到一条消息为止
返回值：
    成功返回 0， 失败返回 -1
*/

除了上述 API 之外，还可以用 msgctl() 函数来对消息队列进行设置，具体如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgctl(int msgqid, int cmd, struct msgid_ds *buf)
/*
参数：
- msqid 消息队列的队列 ID
- cmd   执行操作，如下：
    - IPC_STAT：读取消息队列的数据结构 msgid_ds ，并将其存储到 buf 位置
    - IPD_SET：设置消息队列的数据结构 msgid_ds 中的 ipc_perm 值，这个值取自 buf 参数
    - IPC_RMID：从系统内核中删除消息队列
- buf：描述消息队列的 msqid_ds 结构类型的变量
返回值
    成功返回 0， 失败返回 -1
*/