Linux 高级编程 - 消息队列 MsgQueue

Posted 2021-04-26 cdeveloper

这是 cdeveloper 的第 32 篇原创

消息队列 Msg Queue

Hello，大家好，今天跟大家分享消息队列相关的技术。如果你在 Windows 上开发过应用程序，想必你应该听过消息队列这个概念。

在 Windows 中每个程序都有一个消息队列，整个程序在一个 loop 中等待从消息队列中取消息并执行，所以称 Windows 上的程序为事件驱动型。

同样在 Linux 开发中也有消息队列这个概念，不过 Linux 中的消息队列是用来进行 IPC 的，本质上跟共享内存一样也是内存维护的一片内存区域，这篇文章就带你学习消息队列的相关操作和内核机制。

系统中的消息队列

可以使用 ipcs -q 查看系统当前使用的消息队列（以下简称 MQ）：

我的系统当前没有任何 MQ，后面我们会用程序创建一个 MQ，然后再用这个命令查看。

消息队列的原理

MQ 传递的是消息，消息即是我们需要在进程间传递的数据。MQ 采用链表来实现消息队列，该链表是由系统内核维护。

系统中可能有很多的 MQ，每个 MQ 用消息队列描述符（消息队列 ID：qid）来区分，qid 是唯一的，用来区分不同的 MQ。

在进行进程间通信时，一个进程将消息加到 MQ 尾端，另一个进程从消息队列中取消息（不一定以先进先出来取消息，也可以按照消息类型字段取消息），这样就实现了进程间的通信。如下 MQ 的模型：

进程 A 向内核维护的消息队列中发消息，进程 B 从消息队列中取消息，从而实现了 A 和 B 的进程间通信。了解了原理，来看看如何使用 MQ。

使用消息队列

MQ 的 API 操作与共享内存几乎是相同的，分为下面 4 个步骤：

1. 创建和访问 MQ

2. 发送消息

3. 接受消息

4. 删除 MQ

下面来学习这些函数如何使用。

1. 创建：msgget

使用 msgget 可以创建一个消息队列，需要指定创建的 key 和标志，key 与返回的 qid 有关系。

2. 发送：msgsnd

使用 msgsnd 来发送一个消息，必须要有写消息队列的权限。

3. 发送：msgrcv

使用 msgrcv 来从 msgqid 标识的 MQ 中读取一个消息放到 msgp 指定的内存中，必须要有读消息队列的权限。

注意：参数 msgsz 指定由 msgp 参数指向的结构的成员 mtext 的最大大小（以字节为单位），msgtyp 也有 3 种方式：

1. msgtyp = 0：读取队列中的第一条消息

2. msgtyp > 0：读取队列中类型为 msgtyp 的第一条消息，除非在 msgflg 中指定了 MSG_EXCEPT，否则将读取类型不等于 msgtype 的队列中的第一条消息。

3. msgtyp < 0：读取队列中最小类型小于或等于 msgtype 绝对值的第一条消息

4. 控制：msgctl

例子：使用消息队列

我们也写两个程序来用 MQ 来进程间通信，一个进程 A 写入字符串数据到消息队列，另一个进程 B 从队列中取出数据。

这里省略了头文件了，不然图片太长了，头文件可以使用 man 手册来查看，注意学习方法。

write_msg.c

read_msg.c

这是读取进程：

编译：

运行：

消息队列创建成功，并且消息也发送了，我们再次用 ipcs -q 看看存不存在这个队列：

成功输出了我们创建的消息队列，并且大小等于 255 B，里面有一条我们刚才发送的消息，来读取这个消息：

消息接收成功，并且也删除了消息队列，看看有没有删除成功：

删除成功！一样，来看看消息队列在内核中的实现。

MQ 的内核实现

1. struct msg_queue

消息队列在内核中用下面的数据结构表示：

可以看到消息队列实际上就是一个链表。

2. 分配获取消息队列

首先上层应用通过调用 msgget 来进行系统调用，然后陷入内核：

消息队列的内核实现机制和共享内存几乎相同：在内核开辟一片内存空间存放消息队列，不同的进程使用这个消息队列（内存空间）来通信，与共享内存使用相同的一组回调函数 ipc_ops。

msgget 的基本的调用过程如下：

比较重要的是最后一步回调 newque 函数，这个函数在内核中分配了一个消息队列 msg：

3. 发送消息

上层的 msgsnd 系统调用最后会调用到内核的 do_msgsnd 函数，过程如下：

具体的过程这里就不分析了，主要就是在链表中添加一项。

4. 接受消息

上层的 msgrcv 系统调用最后会调用到内核的 do_msgrcv 函数，过程如下：

同样接收消息会从链表中删除一项，具体的过程可以根据这个路线仔细分析。

结语

本次我们学习了跟共享内存类似的 IPC 方式：消息队列 Msg Queue，它的使用 API 和内核实现原理跟共享内存是差不多，建议你对照两者进行学习，以此来更好的理解，今天的分享到此为止了，下次再扯吧。

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