LV05-05-进程通信-05-消息队列

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本文主要是进程通信——消息队列的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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开发板 正点原子 i.MX6ULL Linux阿尔法开发板
uboot NXP官方提供的uboot，NXP提供的版本为uboot-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga(使用的uboot版本为U-Boot 2016.03)
linux内核 linux-4.15(NXP官方提供)
STM32开发板 正点原子战舰V3(STM32F103ZET6)
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参考方向 参考原文
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一、System V 消息队列

前边我们知道System V IPC经过优化出现了POSIX IPC，消息队列的话也就会有两种，这里所学习的是System V IPC的消息队列。

1. 相关概念

消息队列是System V IPC中的一种，它的底层是一个链队列，与共享内存的不同是，内核要保证消息队列的FIFO性质，因此当有多个接收方进程接收消息队列中的消息的时候，不会产生冲突，由内核来协调他们的执行顺序。由于队列性质，队尾写，队头读，所以读写也不会存在冲突。

进程间通过IPC消息队列通信时，进程产生的每条消息都被发送到一个IPC消息队列中，这个消息一直存放在队列中，直到另外一个进程将其读走，故消息只适用于两个进程间通信。消息是由固定大小的首部，该首部是一个long int 型，用来存放消息类型和可变长度的正文组成。

2. 消息队列特点

消息队列有如下特点：

  • 消息队列由消息队列ID来唯一标识。

  • 消息队列就是一个消息的列表，用户可以在消息队列中添加消息、读取消息等。

  • 消息队列可以按照类型来发送或者接收消息。

3. 消息队列在内核的形式

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4. 如何使用消息队列？

4.1 发送消息端

消息队列发送端的使用步骤一般如下：

（1）申请key，用于不同的进程的话，可以使用ftok()函数实现，若是用于具有血缘关系的进程，则也可以是IPC_PRIVATE。

（2）打开或者创建消息队列，通过msgget()函数实现。

（3）向消息队列发送消息，通过msgsnd实现。

4.2 接收消息端

消息队列接收端的是哦用步骤一般如下：

（1）申请key，用于不同的进程的话，可以使用ftok()函数实现，若是用于具有血缘关系的进程，则也可以是IPC_PRIVATE。保证与发送端相同，以使用同一个IPC对象ID。

（2）打开或者创建消息队列，通过msgget()函数实现。

（3）从消息队列接收消息，通过 msgrcv()函数实现。

（4）控制（删除）消息队列，通过msgctl()函数实现。

二、消息队列基本操作

1. 打开或创建消息队列

1.1 msgget() 

在linux下可以使用man 2 msgget命令查看该函数的帮助手册。

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/* 需包含的头文件 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

/* 函数声明 */
int msgget(key_t key, int msgflg);

【函数说明】该函数打开或者创建一个消息队列，获取消息队列的IPC对象ID。

【函数参数】

  • key：key_t类型，通过ftok创建的key（键）值或者是IPC_PRIVATE（这样的话只能用于具有血缘关系的进程通信）。
  • shmflg：int类型，共享内存标志位，使用时需要与IPC对象存取权限（如0666）进行|运算来确定读写权限。一般是需要创建共享内存时为 IPC_CREAT|0666，若不需要创建，直接打开时，使用0666即可。
点击查看常用可取的值及含义
IPC_CREAT如果共享内存不存在，则创建一个共享内存，否则打开操作。
IPC_EXCL 只有在共享内存不存在的时候，新的共享内存才建立，否则就产生错误。

  • 如果单独使用IPC_CREAT，msgget()函数要么返回一个已经存在的消息队列的标识符，要么返回一个新建的消息队列的标识符。

  • 如果将IPC_CREAT和IPC_EXCL标志一起使用，msgget()将返回一个新建的消息队列的标识符；如果该消息队列已存在，就会返回错误。

【返回值】int类型，成功返回消息队列的标识符，也就是消息队列ID，失败返回-1，并设置errno。

【使用格式】一般情况下基本使用格式如下：

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/* 需要包含的头文件 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
/* 至少应该有的语句 */
key_t key;
int msgid;
key = ftok("./key.txt", 100);
msgid = msgget(key, IPC_CREAT|0666);

【注意事项】none

1.2 使用实例

暂无。

2. 发送消息

2.1 msgsnd() 

在linux下可以使用man 2 msgsnd命令查看该函数的帮助手册。

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/* 需包含的头文件 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

/* 函数声明 */
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

【函数说明】该函数向消息队列发送一个消息。

【函数参数】

  • msqid：int类型，消息队列ID。
  • msgp：void *类型，要发送的消息的缓冲区地址，一般是指向一个我们自定义的特定格式的结构体变量，这个结构体变量中存储的是消息的类型和消息的正文。
点击查看指向的结构体一般格式 
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struct msgbuf 
{
	long mtype;       /* message type, must be > 0 */
	char mtext[1];    /* message data */
};
  • msgsz：size_t类型，消息正文长度。
  • msgflg：int类型，一些标志位，一般的话选择0。
点击查看常用可取的值及含义
0当消息队列满时，msgsnd将会阻塞，直到消息能写进消息队列
IPC_NOWAIT当消息队列已满的时候，msgsnd函数不等待立即返回
IPC_NOERROR若发送的消息大于size字节，则把该消息截断，截断部分将被丢弃，且不通知发送进程

如果队列中的可用空间不足，那么msgsnd()的缺省行为是阻塞，直到空间可用为止。如果在msgflg中指定了IPC_NOWAIT，那么消息队列已满的时候调用将会失败并返回错误EAGAIN。

【返回值】int类型，成功返回0，失败返回-1，并设置errno。

【使用格式】一般情况下基本使用格式如下：

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/* 需要包含的头文件 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
/* 至少应该有的语句 */
msgT msg;/* msgT 下边有介绍，是自定义的一种消息结构*/
msgsnd(msgid, &msgp, MSGLEN, 0);

【注意事项】

（1）消息结构必须有long类型的msg_type字段，表示消息的类型。

（2）消息长度不包括首类型 long。

（3）msgsnd()解除阻塞的条件三个条件：第一，不满足消息队列满或个数满两个条件，即消息队列中有容纳该消息的空间；第二，msqid代表的消息队列被删除。第三，调用msgsnd函数的进程被信号中断。

2.2 消息格式

我们发送消息之前，需要先了解一下消息的格式，有上边的消息发送函数以及消息在内核中的存储形式，我们知道，消息有类型和正文两个属性，于是我们就可以自定义一个结构体作为消息的格式，但是我们还需要知道消息正文内容的长度，这时候可以用宏定义。

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/* 消息格式结构体 */
typedef struct
{
	long msg_type; /* 消息类型 */
	char buf[128]; /* 消息内容 */
} msgT;
#define MSGLEN  (sizeof(msgT)-sizeof(long))

2.3 使用实例

暂无。

3. 接收消息

3.1 msgrcv() 

在linux下可以使用man 2 msgrcv命令查看该函数的帮助手册。

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/* 需包含的头文件 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

/* 函数声明 */
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

【函数说明】该函数从消息队列读取一个消息。

【函数参数】

  • msqid：int类型，消息队列ID。
  • msgp：void *类型，要发送的消息的缓冲区地址，一般是指向一个我们自定义的特定格式的结构体变量，这个结构体变量中存储的是消息的类型和消息的正文。
  • msgsz：size_t类型，指定要接收的消息正文长度。
  • msgtyp：long类型，指定接收的消息类型。
点击查看 msgtyp 取值范围的含义
msgtype = 0收到的第一条消息，任意类型。
msgtype > 0收到的第一条 msg_type类型的消息。
msgtype < 0接收类型等于或者小于msgtype绝对值的第一个消息。

例如，如果msgtype=-4，则只接受类型是1、2、3、4的消息

  • msgflg：int类型，一些标志位，一般的话选择0。
点击查看常用可取的值及含义
0阻塞式接收消息，没有该类型的消息msgrcv函数一直阻塞等待
IPC_NOWAIT如果没有返回条件的消息调用立即返回，此时错误码为ENOMSG
MSG_EXCEPT与msgtype配合使用返回队列中第一个类型不为msgtype的消息

【返回值】ssize_t类型，成功时返回收到的消息长度，失败返回-1，并设置errno。

【使用格式】一般情况下基本使用格式如下：

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/* 需要包含的头文件 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
/* 至少应该有的语句 */
msgT msg;/* msgT 下边有介绍，是自定义的一种消息结构*/
msgrcv(msgid, &msg, MSGLEN, 0, 0);/* 阻塞式接收任意类型消息 */

【注意事项】

（1）消息结构必须有long类型的msg_type字段，表示消息的类型。

（2）消息长度不包括首类型 long。

3.2 消息格式

我们读取的消息格式自然要与发送的消息格式相同啦。

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/* 消息格式结构体 */
typedef struct
{
	long msg_type; /* 消息类型 */
	char buf[128]; /* 消息内容 */
} msgT;
#define MSGLEN  (sizeof(msgT)-sizeof(long))

3.3 使用实例

暂无。

4.  消息控制

4.1 msgctl() 

在linux下可以使用man 2 msgctl命令查看该函数的帮助手册。

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/* 需包含的头文件 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
/* 函数声明 */
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

【函数说明】该函数用于控制消息队列，例如，修改一个消息队列控制权限，删除一个消息队列。

【函数参数】

  • msqid：int类型，消息队列ID。
  • cmd：int类型，表示要执行的操作。
点击查看 cmd 常用值几含义
IPC_STAT把msqid_ds结构中的数据设置为消息队列的当前关联值，和*buf参数配合获取msqid消息队列信息
IPC_SET 在进程有足够权限的前提下，把消息队列的当前关联值设置为msqid_ds数据结构中给的值
IPC_RMID删除消息队列
  • buf：struct msqid_ds类型结构体指针变量，指向存储消息队列相关信息的结构体，一般是设置为NULL。
点击查看 struct msqid_ds 成员 
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struct msqid_ds
{
	struct ipc_perm msg_perm;   /* Ownership and permissions */
	time_t          msg_stime;  /* Time of last msgsnd(2) */
	time_t          msg_rtime;  /* Time of last msgrcv(2) */
	time_t          msg_ctime;  /* Time of creation or last
                                              modification by msgctl() */
	unsigned long   msg_cbytes; /* # of bytes in queue */
	msgqnum_t       msg_qnum;   /* # number of messages in queue */
	msglen_t        msg_qbytes; /* Maximum # of bytes in queue */
	pid_t           msg_lspid;  /* PID of last msgsnd(2) */
	pid_t           msg_lrpid;  /* PID of last msgrcv(2) */
};

【返回值】int类型，成功时，cmd取IPC_STAT, IPC_SET或者 IPC_RMID 返回0，失败返回-1，并设置errno。

【使用格式】一般情况下基本使用格式如下：

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/* 需要包含的头文件 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
/* 至少应该有的语句 */
msgT msg;/* msgT 下边有介绍，是自定义的一种消息结构*/
msgrcv(msgid, &msg, MSGLEN, 0, 0);/* 阻塞式接收任意类型消息 */

【注意事项】该函数的返回值还有其他的情况，只是我们一般是使用上边写出的三个参数，需要使用其他参数的话，可以查看帮助手册。

4.2 使用实例

暂无。

三、消息队列实例

1. msg_send.c

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/* 头文件 */
#include <stdio.h>  /* perror sprintf*/
#include <sys/ipc.h>/* msgget msgsnd ftok */
#include <sys/msg.h>/* msgget msgsnd */
#include <string.h> /* strcpy */
#include <stdlib.h> /* system */

/* 消息格式结构体 */
typedef struct
{
	long msg_type; /* 消息类型 */
	char buf[128]; /* 消息内容 */
} msgT;
#define MSGLEN  (sizeof(msgT)-sizeof(long))

/* 主函数 */
int main(int argc, char *argv[])
{
	int ret;
	key_t key;
	int msgid;
	msgT msg;

	int i = 0;
	char buff[50];

	/* 1. 生成key */
	key = ftok("./key.txt", 100);
	if(key < 0)
	{
		perror("ftok");
		return -1;
	}
	/* 2. 打开或创建消息队列 */
	msgid = msgget(key, IPC_CREAT|0666);
	if(msgid < 0)
	{
		perror("msgget");
		return -1;
	}
	/* 3. 发送消息 */
	for(i = 0; i < 6; i++)/* 发送5 */
	{
		if(i > 3)
		{
			msg.msg_type = 3;/* 消息类型 */
		}
		else
		{
			msg.msg_type = 1;/* 消息类型 */
		}
		sprintf(buff, "This message type is %d!", (int)msg.msg_type);
		
		strcpy(msg.buf, buff);/* 消息内容 */
		ret = msgsnd(msgid, &msg, MSGLEN, 0);
		if(ret < 0)
		{
			perror("msgsnd");
			return -1;
		}
		printf("Send message [%s] success!\n", msg.buf);
	}
	system("ipcs -q");
	return 0;
}

2. msg_receive.c

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/* 头文件 */
#include <stdio.h>  /* perror */
#include <sys/ipc.h>/* msgget msgsnd ftok */
#include <sys/msg.h>/* msgget msgsnd */
#include <string.h> /* strcpy */
#include <stdlib.h> /* system */

/* 消息格式结构体 */
typedef struct
{
	long msg_type; /* 消息类型 */
	char buf[128]; /* 消息内容 */
} msgT;
#define MSGLEN  (sizeof(msgT)-sizeof(long))

/* 主函数 */
int main(int argc, char *argv[])
{
	int ret;
	int count = 0;
	key_t key;
	int msgid;
	msgT msg;

	/* 1. 生成key */
	key = ftok("./key.txt", 100);
	if(key < 0)
	{
		perror("ftok");
		return -1;
	}
	/* 2. 打开或创建消息队列 */
	msgid = msgget(key, IPC_CREAT|0666);
	if(msgid < 0)
	{
		perror("msgget");
		return -1;
	}
	/* 3. 接收消息 */
	while(1)
	{
		ret = msgrcv(msgid, &msg, MSGLEN, 0, 0);/* 阻塞式接收任意类型消息 */
		if(ret < 0)
		{
			perror("msgrcv");
			return -1;
		}
		printf("[count=%d]receive message type=%d,buf=%s\n", count, (int)msg.msg_type, msg.buf);
		count++;
		if(count > 5)
		{
			break;
		}
	}
	system("ipcs -q");
	/* 4. 删除消息队列 */
	printf("\n==============Delete=================\n");
	ret = msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);
	if(ret < 0)
	{
		perror("msgctl");
		return -1;
	}
	system("ipcs -q");
	return 0;
}

3. makefile

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CC = gcc

DEBUG = -g -O2 -Wall
CFLAGS += $(DEBUG)

# 所有.c文件去掉后缀
TARGET_LIST = ${patsubst %.c, %, ${wildcard *.c}} 

all : $(TARGET_LIST)

%.o : %.c
	$(CC) $(CFLAGS) -c $< -o $@

.PHONY: all clean clean_o
clean : clean_o
	@rm -vf $(TARGET_LIST) 
	
clean_o :
	@rm -vf *.o

4. 编译与测试

在终端执行以下命令编译程序：

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make # 生成可执行文件
./msg_send        # 向消息队列发送消息
./msg_receive     # 从消息队列读取消息

然后，终端会有以下信息显示：

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# 执行 ./msg_send
Send message [This message type is 1!] success!
Send message [This message type is 1!] success!
Send message [This message type is 1!] success!
Send message [This message type is 1!] success!
Send message [This message type is 3!] success!
Send message [This message type is 3!] success!

--------- 消息队列 -----------
键        msqid      拥有者  权限     已用字节数 消息      
0x643d0b4e 5          hk         666        768          6

# 执行 ./msg_receive
[count=0]receive message type=1,buf=This message type is 1!
[count=1]receive message type=1,buf=This message type is 1!
[count=2]receive message type=1,buf=This message type is 1!
[count=3]receive message type=1,buf=This message type is 1!
[count=4]receive message type=3,buf=This message type is 3!
[count=5]receive message type=3,buf=This message type is 3!

--------- 消息队列 -----------
键        msqid      拥有者  权限     已用字节数 消息      
0x643d0b4e 5          hk         666        0            0           


==============Delete=================

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