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linux进程间通信之消息队列

article 2024/12/23 11:06:33

摘要

本文旨在深入探讨Linux进程间通信中的消息队列机制，包括其工作原理、系统调用接口以及实际应用场景。通过理论分析和示例代码的解读，本文将帮助读者更好地理解消息队列在多进程环境中的作用和应用。

一、引言

在Linux操作系统中，进程间通信（IPC）是一种常见的需求。为了实现进程间的同步和协调，Linux提供了多种IPC机制，包括管道、消息队列、共享内存和信号量等。其中，消息队列是一种灵活且高效的进程间通信方式，它允许进程之间发送和接收消息。本文将重点介绍消息队列的工作原理、系统调用接口以及一个简单的示例代码。

二、消息队列工作原理

消息队列是一种在进程之间传递消息的数据结构。它由一系列消息组成，每个消息都有一个特定的优先级和内容。当一个进程需要发送消息时，它可以将消息添加到队列中。接收进程可以从队列中获取消息并根据其优先级进行处理。

这些 IPC 对象存在于内核空间，应用层使用 IPC 通信的步骤为：

三.系统调用接口

`1.mq_open`

用于创建或打开一个消息队列。它接受四个参数：消息队列的名称、打开方式、消息的属性和一个指向mq_attr结构体的指针。

`2.mq_send`

用于向消息队列发送消息。它接受三个参数：消息队列的描述符、要发送的消息和消息的优先级。

`3.mq_receive`

用于从消息队列接收消息。它接受三个参数：消息队列的描述符、存放接收消息的缓冲区和消息的最大长度。

`4.mq_close`

用于关闭一个消息队列。它接受一个参数：消息队列的描述符。

`5.mq_unlink`

用于删除一个消息队列。它接受一个参数：消息队列的名称。

四.消息队列的特点

1. 发出的消息以链表形式存储，相当于一个列表，进程可以根据 id 向对应的“列表”增加和获取消息。

2. 进程接收数据时可以按照类型从队列中获取数据。

消息队列的使用步骤：

1. 创建 key ；

2. msgget() 通过 key 创建（或打开）消息队列对象 id ；

3. 使用 msgsnd()/msgrcv() 进行收发；

4. 通过 msgctl() 删除 ipc 对象

五.代码

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <sys/stat.h>  
#include <mqueue.h>  
#include <unistd.h>  
#include <sys/wait.h>  
  
#define QUEUE_NAME "/my_queue" // 消息队列名称  
#define MAX_MSG_SIZE 1024 // 消息的最大长度  
#define MAX_MSG_NUM 10 // 队列中最多存储的消息数  
#define PRIORITY 1 // 消息的优先级  
  
int main() {  
    mqd_t mq; // 消息队列描述符  
    char buf[MAX_MSG_SIZE]; // 存放接收到的消息的缓冲区  
    struct mq_attr attr; // 消息队列的属性  
    pid_t pid; // 子进程ID  
    int status; // 子进程状态  
  
    // 初始化消息队列属性，使用默认值  
    attr.mq_flags = 0;  
    attr.mq_maxmsg = MAX_MSG_NUM;  
    attr.mq_msgsize = MAX_MSG_SIZE;  
    attr.mq_curmsgs = 0;  
    attr.mq_perm.uid = getuid(); // 设置拥有者的用户ID  
    attr.mq_perm.gid = getgid(); // 设置拥有者的组ID  
    attr.mq_perm.mode = S_IRUSR | S_IWUSR; // 设置访问权限  
  
    // 创建或打开一个名为QUEUE_NAME的消息队列，使用attr属性结构体进行初始化，不阻塞状态打开方式，返回一个描述符mq给当前线程使用该对象进行后续操作，使用后必须调用mq_close关闭该对象，如果不再使用该对象，需要调用mq_unlink删除该对象。如果该对象不存在，则创建该对象。如果该对象已经存在，则打开该对象。如果返回值为-1，则表示打开失败，如果返回值为非负数，则表示成功打开对象并返回对象的描述符。 -O_CREAT表示创建对象，-O_RDONLY表示以只读方式打开对象，-O_WRONLY表示以只写方式打开对象，-O_RDWR表示以读写方式打开对象。attr指定了对象的最大消息数、每个消息的最大字节长度以及对象的初始状态（0表示非阻塞状态）。如果对象不存在，则创建该对象；如果对象已经存在，则打开该对象并返回对象的描述符。如果返回值为-1，则表示打开失败；如果返回值为非负数，则表示成功打开对象并返回对象的描述符。 -O_CREAT表示创建对象；-O_RDONLY表示以只读方式打开对象；-O_WRONLY表示以只写方式打开对象；-O_RDWR表示以读写方式打开对象。  
    mq = mq_open(QUEUE_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0664, &attr);  
    if (mq == (mqd_t)-1) {  
        perror("mq_open");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 创建子进程并等待其结束  
    pid = fork();  
    if (pid == -1) {  
        perror("fork");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    } else if (pid > 0) { // 父进程  
        // 父进程向消息队列发送消息  
        if (mq_send(mq, "Hello from parent", MAX_MSG_SIZE, PRIORITY) == -1) {  
            perror("mq_send");  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        } else {  
            printf("Parent process sent message.\n");  
        }  
        // 等待子进程结束并获取其状态  
        waitpid(pid, &status, 0);  
        printf("Child process exited with status %d.\n", status);  
    } else { // 子进程  
        // 子进程从消息队列接收消息并打印出来  
        if (mq_receive(mq, buf, MAX_MSG_SIZE, NULL) == -1) {  
            perror("mq_receive");  
            exit(EXIT_FAILURE);  
        } else {  
            printf("Child process received message: %s\n", buf);  
        }  
        // 子进程正常结束并释放资源  
        exit(EXIT_SUCCESS);  
    }  
    // 关闭消息队列并删除该对象（当且仅当队列中没有消息时才删除）如果成功删除则返回0；如果删除失败，则返回-1。
    // 关闭消息队列并删除该对象（当且仅当队列中没有消息时才删除）如果成功删除则返回0；如果删除失败则返回-1。  
    if (mq_close(mq) == -1) {  
        perror("mq_close");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    if (mq_unlink(QUEUE_NAME) == -1) {  
        perror("mq_unlink");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    return 0;
}

六.代码分析

使用了mq_open函数来创建或打开一个名为QUEUE_NAME的消息队列，并使用attr属性结构体进行初始化。其中，O_CREAT表示创建对象，O_RDWR表示以读写方式打开对象，0664是文件权限的掩码，表示拥有者具有读写权限，组用户和其他用户具有读权限。attr结构体中的mq_maxmsg表示队列中最多存储的消息数，mq_msgsize表示每个消息的最大长度，mq_curmsgs表示队列中当前的消息数，mq_perm表示访问权限和拥有者信息。