进程通信——消息队列

news2025/1/10 17:08:10

文章目录

  • 1.概念
    • 1.0 IPC
    • 1.1 什么是消息队列
    • 1.2 消息队列工作机制
    • 1.3 消息队列与其他进程通信机制的比较：
  • 2.使用System-V版
    • 2.1 用户消息缓冲区
    • 2.2 创建消息队列`msgget`
    • 2.3 添加消息到消息队列`msgsend`
    • 2.4 从消息队列读取消息、
    • 2.5 消息队列的控制函数`msgctrl`
    • 2.6 msqid_ds
    • 4. SYSTEM_V和POSIX的差异

https://zhuanlan.zhihu.com/p/268389190

1.概念

IPC的意思是“ 进程间通信机制”，Linux内核有三种常用IPC对象可以拿来做进程间通信–消息队列，共享内存，信号量。这三种IPC对象在Linux内核中都以链表的形式存储，它们都有特定的ID来标识（消息队列标识符msqid、共享内存标识符shmid，信号量标识符semid）。

每个 IPC 对象都对应一个ipc_perm结构体， ipc_perm结构体中保留了该ipc对象对应的一些权限信息：

struct ipc_perm {
  key_t __key;                 /* Key supplied to semget(2) */
  uid_t uid;                   /* Effective UID of owner */
  gid_t gid;                   /* Effective GID of owner */
  uid_t cuid;                  /* Effective UID of creator */
  gid_t cgid;                  /* Effective GID of creator */
  unsignedshort mode;          /* Read/write permission.*/
  unsignedshort __seq;         /* Sequence number */
};

1.0 IPC

1.1 什么是消息队列

消息队列称为报文队列也叫做信箱，是linux的一种通信机制这种通信机制传递的数据具有某种结构，而不是简单的字节流。

  • 消息队列的本质是内核提供的链表，内核基于这个链表，实现了一个数据结构。内核又基于此提供了从一个进程向另一个进程发送一块数据的方法
  • 向消息队列写数据，实际上是向这个数据结构中插入一个新节点；从消息队列读数据，实际上是从这个数据结构中删除一个节点。
  • 消息队列也有管道一样的不足，就是每个数据块的最大长度是有限的，系统上全体队列的最大值也有一个上限。

1.2 消息队列工作机制

在这里插入图片描述

1.3 消息队列与其他进程通信机制的比较：

与信号量相比，消息队列可以承载更多的通信数据。

与管道的默认接收相比，消息队列可以让接收进程有选择地接收通信数据，还可以设置接收的优先级。当使用消息队列的进程终止时，消息队列不会自动删除。但所有引用管道的进程终止时，管道会自动删除。

与共享内存相比，共享内存的速度更快，因为对共享内存的处理不经过内核调用，而消息队列需要经过内核调用。但是在多核系统上，为了避免产生高速缓存一致性问题，更推荐使用消息队列。

2.使用System-V版

2.1 用户消息缓冲区

无论是发送进程还是接收进程，都需要在进程空间中用消息缓冲区来暂存消息，该消息缓冲区的结构定义如下

struct msgbuf{
long mtype;
char mtext[1];
};
  • 可以通过mtype来区分数据类型，通过判断mtype，是否为需要接收的数据
  • mtext[1]为存放消息的正文数组，可以根据消息的大小定义该数组的长度

2.2 创建消息队列msgget

函数原型如下

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int msgflg);

参数：
key: 某个消息队列的名字，通过宏值定义，或者使用ftok函数生成。
msgflg:由九个权限标志构成，用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的，这里举两个来说明

IPC_CREAT
	如果消息队列对象不存在，则创建之，否则则进行打开操作
IPC_EXCL
	如果消息对象不存在则创建之，否则产生一个错误并返回

返回值：
成功返回一个非负整数，即该消息队列的标识码；
失败则返回-1

2.3 添加消息到消息队列msgsend

函数原型如下：

int  msgsnd(int msgid, const void *msg_ptr, size_t msg_sz, int msgflg);

参数：
msgid: 由msgget函数返回的消息队列标识码
msg_ptr:是一个指针，指针指向准备发送的消息缓冲区
msg_sz:是msg_ptr指向的消息长度，消息缓冲区结构体中mtext的大小,不包括数据的类型
msgflg:控制着当前消息队列满或到达系统上限时将要发生的事情
如：
msgflg = IPC_NOWAIT 表示队列满不等待，返回EAGAIN错误

返回值：
成功返回0
失败则返回-1

2.4 从消息队列读取消息、

函数原型如下：

int  msgrcv(int msgid, void *msg_ptr, size_t msgsz,
		 long int msgtype, int msgflg);

参数：
msgid: 由msgget函数返回的消息队列标识码
msg_ptr:是一个指针，指针指向准备接收的消息，
msgsz:是msg_ptr指向的消息长度，消息缓冲区结构体中mtext的大小,不包括数据的类型
msgtype:它可以实现接收优先级的简单形式
msgtype=0返回队列第一条信息
msgtype>0返回队列第一条类型等于msgtype的消息　
msgtype<0返回队列第一条类型小于等于msgtype绝对值的消息
msgflg:控制着队列中没有相应类型的消息可供接收时将要发生的事
msgflg=IPC_NOWAIT，队列没有可读消息不等待，返回ENOMSG错误。
msgflg=MSG_NOERROR，消息大小超过msgsz时被截断

注意
msgtype>0且msgflg=MSC_EXCEPT，接收类型不等于msgtype的第一条消息

返回值：
成功返回实际放到接收缓冲区里去的字符个数
失败，则返回-1

2.5 消息队列的控制函数msgctrl

函数原型：

int  msgctl(int msqid, int command, strcut msqid_ds *buf);

参数:

  • msqid: 由msgget函数返回的消息队列标识码
  • command:是将要采取的动作,（有三个可取值）分别如下：
命令说明
IPC_STAT获取该消息队列的信息，获取到的信息会储存在结构体msqid_ds类型的buf中
IPC_SET在进程有足够权限时，把消息队列的属性值设置为msqid_ds数据结构中给出的值
IPC_RMID删除消息队列
IPC_INFO获得系统对消息队列做的限制

注意若选择删除队列，第三个参数传NULL；
返回值：
如果操作成功，返回“0”；如果失败，则返回“－1”

2.6 msqid_ds

常用于SYSTEM_V版的函数，这个结构体用于控制一个消息队列

struct msqid_ds{
    struct ipc_perm msg_perm;
    time_t msg_stime;               //发送到队列的最后一个消息的时间戳
    time_t msg_rtime;               //从队列中获取的最后一个消息的时间戳
    time_t msg_ctime;               //对队列进行最后一次变动的时间戳
    unsigned long __msg_cbytes;     //在队列上所驻留的字节总数
    msgqnum_t msg_qnum;             //当前队列中消息的数量
    msglen_t msg_qbytes;            //当前队列允许的最大bytes数
    pid_t msg_lspid;                //发送最后一个消息的进程PID
    pid_t msg_lrpid;                //接收最后一个消息的进程PID
};

4. SYSTEM_V和POSIX的差异

‌System V和POSIX的主要差异在于它们的设计目标、实现方式、性能、可靠性、以及应用场景。‌

  1. 设计目标和实现方式‌：
  • System V IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）主要由贝尔实验室和BSD开发，侧重于进程之间的通信手段的改进，基于内核实现。它提供了信号量、消息队列和共享内存等机制，用于在进程间进行通信和同步‌1。
  • POSIX（Portable Operating System Interface，可移植操作系统接口）则是由IEEE制定的标准，旨在为运行在不同操作系统上的软件提供统一的接口。POSIX的实现由不同的操作系统内核开发人员完成，旨在提高系统的可移植性‌1。
  1. 性能和可靠性‌：
  • 在性能方面，POSIX在无竞争条件下不会陷入内核，而System V无论何时都要陷入内核，因此在性能上稍逊一筹‌1。
  • 在可靠性方面，POSIX的sem_wait函数成功获取信号量后，如果进程意外终止，将无法释放信号量。而System V提供了SEM_UNDO选项来解决这个问题，因此后者更加可靠‌1。
  1. 应用场景‌：
  • System V的应用更为广泛，尤其是在一些较旧的操作系统或未实现POSIX标准的系统中。然而，考虑到可移植性，POSIX成为了一个趋势，尤其在需要跨平台兼容的应用中更为常见‌1。
  • 在进程间通信和同步方面，POSIX的使用似乎更为普遍，尽管在共享内存方面，System V仍然占据主流‌12。

总的来说，System V和POSIX各有优势和适用场景。System V提供了更广泛的兼容性和对旧系统的支持，而POSIX则以其标准化的接口和高可移植性受到青睐。选择使用哪种机制取决于具体的应用需求和目标平台的特性‌12。

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