Linux进程间通信 -- 消息队列

0. 前言

   进程是一个独立的资源管理单元，不同进程间的资源是独立的，不能在一个进程中访问另一个进程的用户空间和内存空间。但是，进程不是孤立的，不同进程之间需要信息的交互和状态的传递，因此需要进程间数据的传递、同步和异步的机制。

    当然，这些机制不能由哪一个进程进行直接管理，只能由操作系统来完成其管理和维护，Linux提供了大量的进程间通信机制，包括同一个主机下的不同进程和网络主机间的进程通信，如下图所示：

• 同主机间的信息交互：

• 无名管道：
  特点：多用于亲缘关系进程间通信，方向为单向；为阻塞读写；通信进程双方退出后自动消失
  问题：多进程用同一管道通信容易造成交叉读写的问题
• 有名管道：
  FIFO(First In First Out),方向为单向(双向需两个FIFO)，以磁盘文件的方式存在；通信双方一方不存在则阻塞
• 消息队列：
  可用于同主机任意多进程的通信，但其可存放的数据有限，应用于少量的数据传递
• 共享内存：
  可实现同主机任意进程间大量数据的通信，但多进程对共享内存的访问存在着竞争

• 同主机进程间同步机制：信号量(Semaphore)
• 同主机进程间异步机制：信号(Signal)
• 网络主机间数据交互：Socket(套接字)

1. IPC

IPC, Inter-Process Communication,进程间通信，包括消息队列、信号量和共享内存三种机制。
IPC使用前必须要先创建，每种IPC都有其创建者、所有者和访问权限。
使用ipcs可以查看系统中的IPC工具：

[niesh@niesh ~]$ ipcs

--------- 消息队列 -----------
键        msqid      拥有者  权限     已用字节数 消息

------------ 共享内存段 --------------
键        shmid      拥有者  权限     字节     nattch     状态
0x00000000 131072     niesh      600        524288     2          目标
0x00000000 163841     niesh      600        4194304    2          目标

--------- 信号量数组 -----------
键        semid      拥有者  权限     nsems

• key:
  用于创建ID值(ID值由一个进程创建的话，由于进程资源的私有性，另一个进程无法获取到该ID)；采用统一key值创建的ID是相同的；
• id:
  IPC机制的唯一标识

1). 获取key值 - ftok():

• 作用：
  获取key值

• 头文件：

    #include <sys/ipc.h>
  

• 函数原型：

    key_t ftok(const char *pathname, int proj_id)
  

• 参数：

pathname：文件名
proj_id: 作为key值的组成部分，用到了低8位

• 返回值：
  成功：key值

bit	描述
31-24	proj_id & 0xFF (低8位)
23-16	stat(pathname).st_dev & 0xFF (低8位)
15-0	stat(pathname).st_ino & 0xFFFF (低16位)

失败：-1

几个结构体需要详细了解：

• struct msqid_ds: 消息队列数据结构
• struct msg: 单个消息的数据结构
• struct msgbuf: 用户自定义消息缓冲区
• struct msginfo:

2. 消息队列

1). 常用数据结构

①. struct msqid_ds

/* FILE: /usr/include/linux/msg.h   */

/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */
struct msqid_ds {
    struct ipc_perm msg_perm;
    struct msg *msg_first;      /* first message on queue,unused  */
    struct msg *msg_last;       /* last message in queue,unused */
    __kernel_time_t msg_stime;  /* last msgsnd time */
    __kernel_time_t msg_rtime;  /* last msgrcv time */
    __kernel_time_t msg_ctime;  /* last change time */
    unsigned long  msg_lcbytes; /* Reuse junk fields for 32 bit */
    unsigned long  msg_lqbytes; /* ditto */
    unsigned short msg_cbytes;  /* current number of bytes on queue */
    unsigned short msg_qnum;    /* number of messages in queue */
    unsigned short msg_qbytes;  /* max number of bytes on queue */
    __kernel_ipc_pid_t msg_lspid;   /* pid of last msgsnd */
    __kernel_ipc_pid_t msg_lrpid;   /* last receive pid */
};

/* FILE: /usr/include/bits/ipc.h    */

/* Data structure used to pass permission information to IPC operations.  */
struct ipc_perm
  {
    __key_t __key;          /* Key.  */
    __uid_t uid;            /* Owner's user ID.  */
    __gid_t gid;            /* Owner's group ID.  */
    __uid_t cuid;           /* Creator's user ID.  */
    __gid_t cgid;           /* Creator's group ID.  */
    unsigned short int mode;        /* Read/write permission.  */
    unsigned short int __pad1;
    unsigned short int __seq;       /* Sequence number.  */
    unsigned short int __pad2;
    __syscall_ulong_t __unused1;
    __syscall_ulong_t __unused2;
  };

②. struct msg

/*  FILE: /usr/src/kernels/3.10.0-327.el7.x86_64/include/linux/msg.h   */

/* one msg_msg structure for each message */
struct msg_msg {
	struct list_head m_list;
	long m_type;
	size_t m_ts;		/* message text size */
	struct msg_msgseg* next;
	void *security;
	/* the actual message follows immediately */
};

③. struct msgbuf (编程时，必须自己实现，因为mtext大小未定义)

/*FILE: /usr/include/linux/msg.h    */

/* message buffer for msgsnd and msgrcv calls */
struct msgbuf {
    long mtype;         /* type of message */
    char mtext[1];      /* 信息实体(用户可自定义大小) */
};

④. struct msginfo

/* FILE: /usr/include/linux/msg.h   */

/* buffer for msgctl calls IPC_INFO, MSG_INFO */
struct msginfo 
{
    int msgpool; /* Size in kibibytes of buffer pool
                    used to hold message data;
                    unused within kernel */
    int msgmap;  /* Maximum number of entries in message
                    map; unused within kernel */
    int msgmax;  /* Maximum number of bytes that can be
                   written in a single message */
    int msgmnb;  /* Maximum number of bytes that can be
                   written to queue; used to initialize
                   msg_qbytes during queue creation (msgget(2)) */
    int msgmni;  /* Maximum number of message queues */
    int msgssz;  /* Message segment size;
                  unused within kernel */
    int msgtql;  /* Maximum number of messages on all queues
                  in system; unused within kernel */
    unsigned short int msgseg;  /* Maximum number of segments;
                                  unused within kernel */
};

2). 消息队列的操作

①. 创建消息队列 - msgget():

• 作用：
  创建消息队列

• 头文件：

   #include <sys/msg.h>
  

• 函数原型：

   int msgget(key_t key, int msgflg)
  

• 参数：

key: 有函数 ftok 返回的key值
msgflg: 消息队列的访问权限

msgflg	num	description
IPC_CREAT	0x1000	若key不存在，则创建；存在，则返回ID
IPC_EXCL	0x2000	若key存在，返回失败
IPC_NOWAIT	0x4000	若需要等待，直接返回错误

• 返回值：
  成功：消息队列的ID
  失败：-1

②. 消息队列属性控制 - msgctl():

• 作用：
  设置/获取消息队列的属性值

• 头文件：

    #include <sys/msg.h>
  

• 函数原型：

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

• 参数：

msqid: 消息队列ID
cmd: 要执行的操作

micro	number	description
IPC_RMID	0	删除消息队列
IPC_SET	1	设置ipc_perm的参数
IPC_STAT	2	从内核结构体msqid复制信息到msgqid_ds
IPC_INFO	3	获取限制信息到msginfo结构体
MSG_INFO	12	同IPC_INFO，但会返回msginfo.msgpool/msgmap/msgtql

• 返回值：
  成功： 0(IPC_RMID/IPC_SET/IPC_STAT), 消息队列数组索引的最大值(IPC_INFO/MSG_INFO)
  失败：-1

③. 发送/接收消息队列 - msgsnd()/msgrcv():

• 作用：
  发送消息到消息队列(添加到尾端)/接收消息

• 头文件：

    #include <sys/msg.h>
  

• 函数原型：

    int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg)
  

.

    ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg)

• 参数：

msqid: 消息队列的ID值，msgget()的返回值
msgp: struct msgbuf，（发送/接收数据的暂存区，由用户自定义大小）
msgsz: 发送/接收消息的大小(范围：0~MSGMAP)
msgflg: 当达到系统为消息队列所指定的界限时，采取的操作(一般设置为0)
msgtyp:

msgtyp	description
= 0	读取队列中的第一个消息
> 0	读取消息队列的第一条 msgbuf.mtype=msgtype的消息
< 0	读取第一条 lowest msgbuf.mtype < abs(msgtyp) 的消息

• 返回值：
  成功： 0   (for msgsnd());  实际写入到mtext的字符个数  (for msgrcv())
  失败：-1

3. 示例代码

本程序主要是实现两个进程通过消息队列发送信息：

• server:

1. 等待接收客户端发送的数据，若时间超出600s，则自动exit；
2. 当收到信息后，打印接收到的数据；并原样的发送给客户端，由客户端显示

• client:

1. 启动两个进程（父子进程），父进程用于发送数据，子进程接收由server发送的数据；
2. 发送数据：由使用者手动输入信息，回车后发送；当写入“end~”后，退出本进程
3. 接收数据：接收由Server端发送的数据信息，并打印

代码如下：
1. Client

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <signal.h>

#define BUF_SIZE 128

//Rebuild the strcut (must be)
struct msgbuf
{
    long mtype;
    char mtext[BUF_SIZE];
};


int main(int argc, char *argv[])
{
    //1. creat a mseg queue
    key_t key;
    int msgId;
    
    printf("THe process(%s),pid=%d started~
", argv[0], getpid());

    key = ftok(".", 0xFF);
    msgId = msgget(key, IPC_CREAT|0644);
    if(-1 == msgId)
    {
        perror("msgget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //2. creat a sub process, wait the server message
    pid_t pid;
    if(-1 == (pid = fork()))
    {
        perror("vfork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //In child process
    if(0 == pid)
    {
        while(1)
        {
            alarm(0);
            alarm(100);     //if doesn't receive messge in 100s, timeout & exit
            struct msgbuf rcvBuf;
            memset(&rcvBuf, '', sizeof(struct msgbuf));
            msgrcv(msgId, &rcvBuf, BUF_SIZE, 2, 0);                
            printf("Server said: %s
", rcvBuf.mtext);
        }
        
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }

    else    //parent process
    {
        while(1)
        {
            usleep(100);
            struct msgbuf sndBuf;
            memset(&sndBuf, '', sizeof(sndBuf));
            char buf[BUF_SIZE] ;
            memset(buf, '', sizeof(buf));
            
            printf("
Input snd mesg: ");
            scanf("%s", buf);
            
            strncpy(sndBuf.mtext, buf, strlen(buf)+1);
            sndBuf.mtype = 1;

            if(-1 == msgsnd(msgId, &sndBuf, strlen(buf)+1, 0))
            {
                perror("msgsnd");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
            
            //if scanf "end~", exit
            if(!strcmp("end~", buf))
                break;
        }
        
        printf("THe process(%s),pid=%d exit~
", argv[0], getpid());
    }

    return 0;
}

2. Server

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/msg.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <signal.h>

#define BUF_SIZE 128

//Rebuild the strcut (must be)
struct msgbuf
{
    long mtype;
    char mtext[BUF_SIZE];
};


int main(int argc, char *argv[])
{
    //1. creat a mseg queue
    key_t key;
    int msgId;
    
    key = ftok(".", 0xFF);
    msgId = msgget(key, IPC_CREAT|0644);
    if(-1 == msgId)
    {
        perror("msgget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("Process (%s) is started, pid=%d
", argv[0], getpid());

    while(1)
    {
        alarm(0);
        alarm(600);     //if doesn't receive messge in 600s, timeout & exit
        struct msgbuf rcvBuf;
        memset(&rcvBuf, '', sizeof(struct msgbuf));
        msgrcv(msgId, &rcvBuf, BUF_SIZE, 1, 0);                
        printf("Receive msg: %s
", rcvBuf.mtext);
        
        struct msgbuf sndBuf;
        memset(&sndBuf, '', sizeof(sndBuf));

        strncpy((sndBuf.mtext), (rcvBuf.mtext), strlen(rcvBuf.mtext)+1);
        sndBuf.mtype = 2;

        if(-1 == msgsnd(msgId, &sndBuf, strlen(rcvBuf.mtext)+1, 0))
        {
            perror("msgsnd");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
            
        //if scanf "end~", exit
        if(!strcmp("end~", rcvBuf.mtext))
             break;
    }
        
    printf("THe process(%s),pid=%d exit~
", argv[0], getpid());

    return 0;
}