＜Linux＞（极简关键、省时省力）《Linux操作系统原理分析之Linux 进程管理 8》（12）

《Linux操作系统原理分析之Linux 进程管理 8》（12）

  • 4 Linux 进程管理
    • 4.8 IPC 消息队列
      • 4.8.1 消息队列的结构
        • 1.消息
        • 2.消息队列
      • 4.8.2 消息队列的生成与控制
        • 1.建立及检索消息队列 建立及检索消息队列
        • 2.消息队列的控制 消息队列的控制
      • 4.8.3 消息的发送与接收
      • 4.8.4 消息队列的程序例

4 Linux 进程管理

4.8 IPC 消息队列

linux 中进程通信两种高级通信机制 IPC 的消息队列和共享内存。IPC 消息队列，其中涉及的函数和数据结构分别定义在 ipc/msg.c 和 include/linux/msg.h。

4.8.1 消息队列的结构

IPC 消息队列一般用于客户机/服务器（C/S）模型中，客户机进程向服务器发送请求服务的消息，服务器进程接受到消息后执行客户机请求

1.消息

IPC 中一个消息由消息头和消息正文组成。消息头是一个 msg 结构体。其定义如下：

struct msg
{
struct msg *msg_next; /*指向下一个消息*/
long msg_type; /*消息类型：大于 0,是通信双方约定的消息标志*/
char *msg_spot; /*消息正文地址*/
time_t msg_time; /*消息发送时间*/
short msg_ts; /*消息正文大小，最大长度由 MSGMAX 决定，缺省为
4057 字节*/
}
2.消息队列

Linux 中可以根据进程的需要建立多个 IPC 消息队列，消息队列的最大数量由符号常量 MSGMNI 决定，缺省为 128。系统对所有消息队列统一管理。每个消息队列有唯一的标识号。每个消息队列是由消息结构体构成的单向链表。
描述消息队列的数据结构 struct msqid_ds，称为消息队列描述符。与消息队列一一对应。其定义如下：

struct msqid_ds
{
Struct ipc_perm msg_perm; /*访问权限*/
Struct msg *msg_first; /*指向消息队列头*/
Struct msg *msg_last; /*指向消息队列尾*/
Time_t msg_stime; /*最近发送消息的时间*/
Time_t msg_rtime; /*最近接收消息的时间*/
Time_t msg_ctime; /*最近修改消息的时间*/
Struct wait_queue *wait; /*等待接收消息的进程等待队列*/
Struct wait_queue *wait; /*等待发送消息的进程等待队列*/
Unshort msg_cbytes; /*队列中当前字节数*/
Unshort msg_qnum; /*队列中消息数*/
Unshort msg_qbytes; /*队列最大字节数,不能超过 MSGMN（缺省 16384）*/
Unshort msg_lspid; /*最近发送进程的 PID*/
Unshort msg_lrpid; /*最近接收进程的 PID*/
}

在这里插入图片描述

4.8.2 消息队列的生成与控制

1.建立及检索消息队列 建立及检索消息队列

在程序中使用 msgget（）建立一个消息队列或者检索消息队列的标识号。其定义为：

Int msgget（key_t key, int msgflg） /*msgflg 的值与 semget（）中的 semflg 完全相同*/

调用成功则返回消息队列的标识号，否则返回-1；

2.消息队列的控制 消息队列的控制

对消息队列的控制操作由系统调用 msgctl（）实现，其定义如下：

Int msgctl（int msqid，int cmd，struct msqid_ds *buf）

Msqid：消息队列的标识号。
Cmd：操作类型。
Buf：用于向函数传递数据和从函数的得到的结果数据。

说明：cmd 参数的种类与 semctl（）类似，但制定操作的意义不同。主要有：

MSG_STAT 或或或或 IPC_STAT：把指定消息队列的描述符内容拷贝到 buf 指定的 msqid_ds 结构体中。
IPC_SET：允许修改制定消息队列描述符内容。该操作用于修改消息队列的访问权限，即 msg_perm的成员项。超级用户可以修改 msg_dbyte 的值。变更后，msg_ctime 的值自动更新。
IPC_RMID：删除消息队列及其数据结构，该操作只有超级用户或消息队列生成者进行。
MSG_INFO 或 IPC_INFO：把与消息队列有关的最大值数据输出到 msginfo 结构体中。在该结构体中记录着 IPC 消息队列的消息数、字节数和消息的字节最大数。

4.8.3 消息的发送与接收

进程使用系统调用 msgsnd（）向消息队列写消息；接受进程使用系统调用 msgrcv（）从消息队列读取消息。

Int msgsnd（int msqid，struct msgbuf *msgp，int msgsz，int msgopt）；
Int msgrcv（int msqid，struct msgbuf *msgp，int msgsz，int msgtyp，int msgopt）；

Msgsnd（）调用成功返回 0，msgrcv（）调用成功返回值为接收到的消息的长度；两个函数调用失败返回错误信息。
👉Msqid：消息队列标识号。
👉Msgp：指向一个 msgbuf 结构体 其定义为：

Struct msgbuf
{
Long mtype； /*消息类型*/
Char mtext[1]； /*消息正文*/
}

说明：

1．msgbuf 结构体，相当于原理部分所提的消息发送区或消息接收区。
2．Mtext，只有一个字节，并不表示消息正文本身，仅指名消息正文地址。
3．用户可以自行定义一个结构体来代替 Msgbuf结构体。（参见程序例）

👉Msgsz：消息正文长度。
👉Msgopt：操作模式。

取值为 0 时，表示忽略该参数。
在接收函数中，取值为 IPC_NOWAIT，表示即使消息队列没有需要的消息，进程也不阻塞，返回值为 ENOMEG，通知进程消息不存在。
在发送函数中，取值为 IPC_NOWAIT，表示即使消息队列已满，进程也不阻塞，返回值为 ENOMEG，通知进程重新发送消息。

👉Msgtyp：从消息队列读取消息的方式。

Msgtyp 取值为 0，读取消息队列的第一个消息。
Msgtyp 取值大于 0，表示消息类型，这时读取队列中符合该类型的第一个消息。若msgopt 指定为 MSG_EXECPT，则读取队列第一个不符合该类型的消息。
Msgtyp 取值小于 0，则表示读取小于其绝对值的类型值最小的第一个消息。 当一个消息从消息队列中读取后，由系统自动从队列中将其删除。

4.8.4 消息队列的程序例

使用消息队列在进程间通信的程序例，其功能是在进程间完成文件的传送。一个发送进程把两个文件送入消息队列，另外两个接收进程分别从消息队列各自接收一个文件。该例由 3 个源程序文件组成：user.h 是共用的头部文件，filesnd.c 的功能是把两个文件读出并发送到消息队列，filercv.c 的功能是从消息队列读取文件。发送进程执行 filesnd.c，两个接收进程执行 filercv.c。

/*user.h*/
#define F_KEY “copyfile” /*指定生成 IPC 键值的文件名*/
#define F_TYPE1 1 /*第一个文件的消息类型*/
#define F_TYPE2 2 /*第二个文件的消息类型*/
#define F_TYPE_END1 3 /*第一个文件接收完毕的消息类型*/
#define F_TYPE_END2 4 /*第二个文件接收完毕的消息类型*/
#define BUF_SIZE 256
Struct msg_data /*替代上节所讲 msgbuf 结构体,作为发送区（接收区）*/
{
Long type;
Int size;
Char buf[BUF_SIZE];
}/*filesnd.c 数据发送程序*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include < sys/stat.h >
#include “user.h “
Close_all(int msgid, int fd1, int fd2)
{
Close(fd1); /*关闭文件*/
Close(fd2); /*关闭文件*/
Msgctl（msgid，IPC_RMID,0）；/*删除消息队列*/
}
Main（int argc，char **argv）
{
Int fd1，fd2，msgid；
Int end1=1，end2=1；
Key_t key;
Struct msg_data data1,data2;
If（argc！=3）/*检查命令行参数*/
{
Printf（”usage：argv[0] File1 File2 <CR>\n”）；
Exit（-1）；
}
If（（fd1=open（argv[1]，O_RDONLY）==-1） /*打开第一个文件，只读*/
{
Printf(“%s can’t opened\n”,argv[1]);
Exit（-1）；
}
If（（fd2=open（argv[2]，O_RDONLY）==-1） /*打开第二个文件，只读*/
{
Printf(“%s can’t opened\n”,argv[2]);
Exit（-1）；
}
If（（key=ftok（F_KEY,’a’））==-1）/*生成 IPC 键值*/
{
Close(fd1);
Close(fd2);
Printf(“Sender: create Key Error.\n”);
Exit（-1）；
}
If((msgid=msgget(key,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666))==-1) /*生成消息队列*/
{
Close(fd1);
Close(fd2);
Printf(“Sender: create Message queue Error.\n”);
Exit（-1）；
}
Printf(“\nSender: create Message queue created.\n”);
Printf(“Copy %s and %s\n”,argv[1],argv[2]);
Data1.type=F_TYPE1; /*确定两个文件的消息类型*/
Data2.type=F_TYPE2;
Data1.size= Data2.size=-1;
While(data1.size||data2.size) /*读取和发送两个文件*/
{
If(data1.size)
{
Data1.size=read(fd1,data1.buf,BUF_SIZE) /*读取第一个文件*/
If（data1.size==-1）
{
Close_all(msgid,fd1,fd2);
Printf(“Sender：error read file%s \n”,argv[1]);
Exit（-1）；
}
/*写入消息队列*/
If（msgsnd（msgid，（struct msgbuf*）&data1,sizeof(struct msg_data),0）==-1）
{
Printf(“Sender：error message send file%s \n”,argv[1]);
Exit（-1）；
}
}
If(data2.size)
{
Data2.size=read(fd2,data2.buf,BUF_SIZE) /*读取第二个文件*/
If（data2.size==-1）
{
Close_all(msgid,fd1,fd2);
Printf(“Sender：error read file%s \n”,argv[2]);
Exit（-1）；
}
/*写入消息队列*/
If（msgsnd（msgid，（struct msgbuf*）&data2，sizeof(struct msg_data),0）==-1）
{
Printf(“Sender：error message send file%s \n”,argv[2]);
Exit（-1）；
}
}
}
Printf(“Sender：data transmission to message queue complete \n”);
Printf(“Sender：waiting for receiver to finish reading\n”);
/*等待接收进程结束*/
While(end1||end2)
{
Struct msgbuf rec;
If(msgrcv(msgid,&rec,sizeof(struct msgbuf),TYPE_END1,IPC_NOWAIT)!=-1)
End1=0;
If(msgrcv(msgid,&rec,sizeof(struct msgbuf),TYPE_END2,IPC_NOWAIT)!=-1)
End2=0;
}
Printf(“\nSender：disconnection of the two receiver processes \n”);
Close_all(msgid,fd1,fd2);
}/*filercv.c 数据接收程序*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include < sys/stat.h >
#include “user.h “
Main（int argc，char **argv）
{
Int fd，ret，msgid；
Int no；
Int type；
Key_t key;
Struct msg_data data;
Struct msgbuf dis_msg;
If（argc！=3）/*检查命令行参数*/
{
Printf（”usage：filerv 1|2 File_name <CR>\n”）；
Exit（-1）；
}
No=atoi(argv[1])；
If（（no！=1）&&(no!=2)）
{
Printf（”usage：%s 1|2 File_name <CR>\n”，argv[0]）；
Exit（-1）；
}
If（no==1）type = F_TYPE1;
Else type = F_TYPE2;
If((key=ftok(F_KEY,’a’))==-1) /*生成 IPC 键值*/
{
Printf(“receiver: create Key Error.\n”);
Exit（-1）；
}
If（（msgid=msgget（key，IPC_EXCL））=-1）/*得到键值对应的消息队列标识号*/
{
Printf（“receive：create message queue error\n”）;
Exit(-1);
}
Printf（“\nreceive %d connected to the message queue \n”,no,getid()）;
If（（fd2=open（argv[2]，O_WRONLY）==-1） /*打开文件，只写*/
{
Printf(“%s can’t opened\n”,argv[2]);
Exit（-1）；
}
While（1）
{ /*从消息队列接收消息*/
If(msgrcv(msgid,（struct msgbuf*）&data, sizeof(struct msg_data),type，0)!=-1)
{
Printf(“Receiver %d error during reception.\n”,no);
Exit（-1）；
}
If(data.size==0) break;
Ret = write(fd,data.buf,data.size) /*把读取的消息写入文件*/
If（ret==-1）
{
Close（fd）；
Msgctl（msgid，IPC_RMID，0）；
Printf（“receiver %d error during writing\n“，no）；
Exit（-1）；
}
}
Close（fd）；
Printf（“receiver %d disconnection\n“，no）；
If（no==1）
Dis_msg.mtype = TYPE_END1;
else
Dis_msg.mtype = TYPE_END2;
Msgsnd(msgid,&dis_msg,sizeof(struct msgbuf),0);/*发送接收完毕消息*/
}
该程序分别由三个进程执行，使用的命令和运行结果如下：
#./filesnd dbfile1 dbfile2 &
Sender: message queue create;
Sender: data transmission to message queue completed
Sender: waiting for receiver to finish reading
#./filercv 1 file1&
Receiver 1 connected to the message queue
Receiver 1 disconnection
#./filercv 1 file2 
Receiver 2 connected to the message queue
Receiver 2 disconnection
Sender: disconnection of the two receiver processes.

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