Linux进程通信 | 消息队列

什么是消息队列？

假设你是一个快递员，你需要将货物从一个仓库运到另一个仓库。但是你发现自己的时间不够用，需要另外请一个人来帮忙。那么，你们之间如何进行协作呢？

一种方式是直接将货物全部交给对方，但这样存在风险：对方可能会出现问题，导致货物丢失或损坏。

而另一种更安全的方式是，你将货物分批发送给对方，对方再按照你的要求逐批接收货物。这种方式类似于消息队列的通信方式。

在 Linux 系统中，消息队列是一种 IPC（进程间通信）机制，用于实现不同进程之间的通信。

简单地说，消息队列是一个消息的链表，消息发送方将消息发送到消息队列中，消息接收方从队列中读取消息。

消息队列的优点和缺点

与其他 IPC 机制相比，消息队列有以下优点：

• 通过消息队列可以实现异步通信。
• 消息队列可以存储多个消息，接收方可以按顺序逐个读取消息。
• 消息队列的消息长度可以很长。

但是，消息队列也有以下缺点：

• 消息队列的消息长度有限制，一般不能超过系统限制的最大值。
• 消息队列需要调用特殊的系统调用来读写消息，开销较大。

消息队列的创建和使用方法

在Linux中，可以通过以下系统调用函数来创建和使用消息队列：

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

int msgget(key_t key, int msgflg);   // 创建或打开消息队列
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);   // 向消息队列发送消息
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);   // 从消息队列接收消息
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);   // 控制消息队列

其中，key是用来唯一标识消息队列的键值，msgflg是创建消息队列时的选项参数。在创建消息队列时，如果该键值已经存在，则直接返回该消息队列的标识符；如果不存在，则创建一个新的消息队列，并返回该消息队列的标识符。

在使用消息队列时，msgsnd函数用于向消息队列中发送消息，msgrcv函数用于从消息队列中接收消息，msgctl函数用于对消息队列进行控制，比如删除消息队列等。

消息队列的发送和接收示例

下面我们来看一个简单的示例，展示如何使用消息队列进行进程间通信。

假设有两个进程，一个发送进程和一个接收进程，它们之间需要传递一些数据。我们通过消息队列来实现进程间通信。

首先，我们需要创建一个消息队列，然后让发送进程向消息队列中发送一条消息，接收进程从消息队列中接收该消息，并进行处理。

创建消息队列

我们首先需要创建一个消息队列。可以使用msgget函数来创建消息队列。以下是创建消息队列的示例代码：

#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    key_t key = ftok("/tmp", 'a'); // 创建一个唯一的key
    int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT); // 创建消息队列
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("消息队列创建成功，msgid=%d\n", msgid);

    return 0;
}

在上面的代码中，我们使用ftok函数创建一个唯一的key，这个key将作为消息队列的标识符。然后，我们使用msgget函数创建消息队列。如果创建成功，msgget函数将返回一个消息队列ID（msgid），否则将返回-1。在本例中，如果创建消息队列失败，我们将输出错误消息并退出程序。

发送消息

接下来，我们将使用msgsnd函数向消息队列发送一些消息。以下是一个发送消息的示例代码：

// sendmsg.c

#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

typedef struct {
    long type;
    char text[100];
} message_t;

int main()
{
    key_t key = ftok("/tmp", 'a'); // 创建一个唯一的key
    int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT); // 创建消息队列
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    message_t message;
    message.type = 1;
    strcpy(message.text, "Hello, World!");
    int result = msgsnd(msgid, &message, sizeof(message.text), 0);
    if (result == -1) {
        perror("msgsnd");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("消息发送成功，text=%s\n", message.text);

    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个message_t结构体，它包含一个长整型变量和一个字符串数组。长整型变量将用于指定消息类型，而字符串数组将包含消息正文。然后，我们使用msgsnd函数将消息发送到队列。在本例中，我们发送的消息类型为1，消息正文为"Hello, World!"。

接收消息

最后，我们将使用msgrcv函数从消息队列接收我们之前发送的消息。以下是一个接收消息的示例代码：

// rsvmsg.c

#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

typedef struct {
    long type;
    char text[100];
} message_t;

int main()
{
    key_t key = ftok("/tmp", 'a'); // 创建一个唯一的key
    int msgid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT); // 创建消息队列
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    message_t message;
    int result = msgrcv(msgid, &message, sizeof(message.text), 1, 0);
    if (result == -1) {
        perror("msgrcv");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("消息接收成功，text=%s\n", message.text);

    return 0;
}

效果演示

编译上面的sendmsg.c 和 rsvmsg.c文件，得到一个两个程序：sendmsg和rsvmsg。

• 先运行sendmsg，后运行rsvmsg

[wayne@wayne:~] ./sendmsg
消息发送成功，text=Hello, World!

[wayne@wayne:~] ./rsvmsg
消息接收成功，text=Hello, World!

• 先运行rsvmsg，后运行sendmsg

[wayne@wayne:~] ./rsvmsg

此时rsvmsg会阻塞在这里，等待消息

[wayne@wayne:~] ./sendmsg
消息发送成功，text=Hello, World!

sendmsg发送消息后，rsvmsg进程，收到消息，打印消息

消息接收成功，text=Hello, World!

小结

总的来说，Linux 消息队列是一种高效的进程间通信机制，它可以在多个进程之间共享，允许进程异步地发送和接收消息。

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