进程间通信：消息队列

一、引言

二、消息队列的基本概念

[2.1 什么是消息队列](#2.1 什么是消息队列)

[2.2 消息队列的核心特性](#2.2 消息队列的核心特性)

三、消息队列的核心接口

[3.1 创建或获取消息队列------msgget](#3.1 创建或获取消息队列——msgget)

[3.2 发送消息------msgsnd](#3.2 发送消息——msgsnd)

[3.3 接收消息------msgrcv](#3.3 接收消息——msgrcv)

[3.4 控制管理（删除）------msgctl](#3.4 控制管理（删除）——msgctl)

四、消息队列实现进程间通信

五、结语

一、引言

进程间通信（Inter - Process Communication，IPC）是指在多进程环境下，不同进程之间进行信息交换、协同工作的机制和方法。通过上图可以看到，进程间通信的方式有很多种，管道、消息队列、共享内存......各有各的适用场景。本文聚焦的是如何通过消息队列来实现进程之间的通信。

二、消息队列的基本概念

2.1 什么是消息队列

消息队列(Message Queue)是一种先进先出(FIFO)的数据结构，用于解耦消息生产者与消费者 。在进程间通信(IPC)中，消息队列作为内核持久化的通信通道，允许任意数量的进程在非关联状态下交换数据。

说人话就是，消息队列中的消息是按照消息进入队列的先后顺序来消费的，先进来的消息要被先消费。在消费者尚未运行或者还未读取消息队列中的消息的情况下，消息的生产者依然可以往消息队列中写入消息（消息队列未满），消息的生产者和消费者互不影响。所谓的内核持久化的通信通道就是消息队列的生命周期随内核，在生产者和消费者都退出后，消息队列依然存在，除非显示的删除消息队列或关闭系统。

2.2 消息队列的核心特性

|-------|------------------|
| 特性 | 描述 |
| 异步通信 | 发送者和接收者不需要同时运行 |
| 队列存储 | 消息按发送顺序存储(FIFO) |
| 类型识别 | 消息可分类，支持选择性接收 |
| 内核持久化 | 消息在进程终止后依然存在 |
| 大容量通信 | 支持大型数据传输(系统参数限制) |

这里解释一下类型识别。存储在消息队列中的消息是带有类型的，它由一个结构体组织起来，这个结构体msgbuf如下：

struct msgbuf {

long mtype; // 消息类型

char mtext[1]; // 消息内容（可变长度）

};

插入到消息队列中的就是一个个msgbuf结构体，然后通过链表将这些结构体管理起来。

三、消息队列的核心接口

这里谈的消息队列，是System V版本的消息队列，它的核心接口主要有以下四个：

3.1 创建或获取消息队列------msgget

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int msgflag);

msgget函数，它用于创建一个新的消息队列，或者获取一个已经存在的消息队列的标识符。

key_t key：这是一个键值，用于标识消息队列。key可以通过ftok()函数生成，我们也可以自己指定一个整数值做为key。但是比较推荐前者，原因在于ftok函数，它根据文件路径和项目标识符生成一个在系统范围内唯一的键值，避免冲突。下面就顺带介绍一下ftok函数。

#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

pathname：一个指向文件路径的指针，该文件必须存在且可访问。

proj_id：一个项目标识符，通常是一个字符的 ASCII 值（范围为 0 到 255 ）

msgflag：用于指定操作的权限和行为。

常用的标志位有IPC_CREAT和IPC_EXCL。
IPC_CREAT：如果指定的键值不存在对应的消息队列，则创建一个新的消息队列。
IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用。如果消息队列已存在，则返回错误。
权限位（如 0666 ）：指定消息队列的访问权限（读写权限），类似于文件权限。

返回值

成功：返回消息队列的标识符（非负整数）。
失败：返回-1，并设置 errno 以指示错误原因。

3.2 发送消息------msgsnd

#include <sys/msg.h>

int msgsnd(int msqid, const void msgp[.msgsz], size_t msgsz, int msgflg);

msgsnd 是一个用于向消息队列发送消息的系统调用函数。它将消息发送到指定的消息队列中。

int msqid ：消息队列的标识符，由 msgget 函数返回。

const void *msgp ：指向结构体的指针，比如指向msgbuf。

size_t msgsz ：消息正文的大小（以字节为单位）。这个值必须大于 0，并且不能超过系统定义的最大消息大小（ msgmax ）。不包含结构体中类型成员的大小，仅仅是正文的大小。

int msgflg：控制消息发送行为的标志。常用的标志包括：

0 ：默认行为，如果消息队列已满，调用将阻塞，直到消息被发送或发生错误。
IPC_NOWAIT ：非阻塞模式，如果消息队列已满，调用将立即返回，并设置 errno 为 EAGAIN 。

返回值

成功：返回 0 。
失败：返回 -1 ，并设置 errno 以指示错误原因。

3.3 接收消息------msgrcv

#include <sys/msg.h>

ssize_t msgrcv(int msqid, void msgp[.msgsz], size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

msgrcv 是一个用于从消息队列中接收消息的系统调用函数。它可以从指定的消息队列中读取消息，并将其存储到用户提供的缓冲区中。

int msqid：消息队列的标识符，由 msgget 函数返回。

void *msgp ：指向消息缓冲区的指针。通常是一个指向 struct msgbuf 或自定义结构体的指针。

size_t msgsz：消息缓冲区的大小（以字节为单位）。这个值必须大于 0，并且不能超过系统定义的最大消息大小（ msgmax ）。

long msgtyp ：指定要接收的消息类型。

int msgflg：控制消息接收行为的标志。常用的标志包括：

0 ：默认行为，如果消息队列为空，调用将阻塞，直到消息到达或发生错误。
IPC_NOWAIT ：非阻塞模式，如果消息队列为空，调用将立即返回，并设置 errno 为 EAGAIN 。

返回值

成功：返回实际读取的消息正文的大小（以字节为单位）。
失败：返回 -1 ，并设置 errno 以指示错误原因。

3.4 控制管理（删除）------msgctl

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/msg.h>

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

msgctl 是一个用于控制消息队列的系统调用函数。它提供了多种操作，包括获取消息队列的状态、修改消息队列的权限和删除消息队列。

int msqid ：消息队列的标识符，由 msgget 函数返回。

int cmd ：指定要执行的命令。常用的命令包括：

struct msqid_ds *buf ：指向 struct msqid_ds 结构体的指针，用于存储或获取消息队列的状态信息。如果 cmd 是 IPC_RMID ，则 buf 可以是 NULL 。

以上就是关于消息队列核心接口的全部讲解，可能会迷惑，把这些接口都用过一遍就好了。

IPC_STAT ：获取消息队列的状态信息，并将其存储到 buf 指向的 struct msqid_ds 结构体中。 IPC_SET ：设置消息队列的权限和所有者信息，这些信息从 buf 指向的 struct msqid_ds 结构体中获取。
IPC_RMID ：删除消息队列。

四、消息队列实现进程间通信

简单演示一下进程间是如何通过消息队列来通信的。进程server，创建消息队列，同时负责生产消息并插入到消息队列中，进程client负责消费消息队列中的信息，并在退出时将消息队列删除。

cpp 复制代码

//common.h
#define MSGSIZE 128 //消息大小
#define MSGKEY 1234 //消息队列的key
#define MSGTYPE 1   //消息类型

//消息队列结构体
struct my_msgbuf {
    long mtype;
    char mtext[MSGSIZE];
};

//server.cpp
#include <iostream>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <cstring>
#include <string>
#include "common.h"

/*
 * 主函数：创建消息队列并进行消息发送
 * 使用System V消息队列进行进程间通信
 */
int main()
{
    // 创建消息队列，权限为0666，如果已存在则报错
    int msgid = msgget(MSGKEY, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    // 检查消息队列创建是否成功
    if (msgid == -1) {
        std::cerr << "Error: msgget failed" << std::endl;
        return 2;
    }
    // 输出消息队列创建成功的消息及其ID
    std::cout << "Step1:created message queue with id:" << msgid << std::endl;
    
    // 定义消息缓冲区
    my_msgbuf sndmsg;
    // 设置消息类型
    sndmsg.mtype = MSGTYPE;
    // 进入消息发送循环
    while (true) {
        // 清空消息文本内容
        memset(sndmsg.mtext, 0, sizeof(sndmsg.mtext));
        // 提示用户输入消息
        std::cout << "Step2:waiting for message..." << std::endl << "Server:";
        // 获取用户输入
        std::string input;
        std::getline(std::cin, input);
        // 将用户输入复制到消息结构中
        strcpy(sndmsg.mtext, input.c_str());
        // 发送消息到队列
        if (msgsnd(msgid, &sndmsg,input.size() + 1, 0) == -1) {
            std::cerr << "Error: msgsnd failed" << std::endl;
            return 3;
        }
        // 检查是否输入了"exit"命令，如果是则退出循环
        if (strcmp(sndmsg.mtext, "exit") == 0) break;
    }

    return 0;
}

//client.cpp
#include <iostream>
#include <sys/ipc.h>   
#include <sys/msg.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include "common.h"
/**
 * 主函数：创建消息队列并接收消息
 * 当收到"exit"消息时删除消息队列并退出程序
 */
int main()
{
    // 创建或获取消息队列，权限为0666
    int msgid = msgget(MSGKEY, 0666 | IPC_CREAT);
    // 检查消息队列创建是否成功
    if (msgid == -1) {
        std::cerr << "msgget error" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 定义消息缓冲区变量
    my_msgbuf revmsg;
    // 无限循环接收消息
    while (true) {
        // 从消息队列中接收消息，类型为MSGTYPE
        if (msgrcv(msgid, &revmsg, sizeof(revmsg.mtext), MSGTYPE, 0) == -1) {
            std::cerr << "msgrcv error" << std::endl;
            return 2;
        }
        // 检查消息是否为"exit"，如果是则删除消息队列并退出循环
        if (strcmp(revmsg.mtext,"exit") == 0) {
            msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);
            std::cout << "msg queue deleted" << std::endl;
            break;
        }
        // 输出接收到的消息内容
        std::cout << "receive message: " << revmsg.mtext << std::endl;
    }

    return 0;
}

五、结语

消息队列有很多种版本，这只是其中一种，本质上差不了多少。若有进一步疑问，随时可深入交流。希望以上内容能为相关需求提供有效参考价值。

完~