内核篇第十三讲：system-V消息队列

大家好，接下来的一段时间我将开始学习野火的Linux 系统课程并将学习到的干货逐步更新到我的CSDN博客中。没时间刷课的同学可以把我的博客喂给AI 突击一下。

[一、System-V IPC 特点](#一、System-V IPC 特点)

二、消息队列完整使用流程

[三、API 函数详解](#三、API 函数详解)

[1. ftok () ------ 生成 key](#1. ftok () —— 生成 key)

[2. msgget () ------ 创建 / 获取消息队列，得到 msqid](#2. msgget () —— 创建 / 获取消息队列，得到 msqid)

[3. msgsnd () ------ 发送消息到队列](#3. msgsnd () —— 发送消息到队列)

[4. msgrcv () ------ 从队列读取消息](#4. msgrcv () —— 从队列读取消息)

[5. msgctl () ------ 控制消息队列](#5. msgctl () —— 控制消息队列)

四、实战演练

五、核心特点总结

六、命令行调试命令

一、System-V IPC 特点

System-V IPC：包含消息队列、共享内存、信号量，属于经典进程间通信方式

独立于进程：创建之后，就算创建进程退出，IPC 对象仍然在内核中存在，不会自动销毁，需要手动删除。
没有文件名、没有文件描述符，不能用 read/write 操作。
IPC 对象拥有两套标识：

key：用户层键值，用于不同进程之间打开同一个 IPC 对象
ID：内核返回的对象 id，本进程操作时使用

二、消息队列完整使用流程

用ftok()生成唯一key
msgget()：创建 / 获取消息队列，拿到队列 ID
msgsnd()：向队列发送消息（带消息类型 mtype）
msgrcv()：按指定消息类型读取消息
msgctl()：获取属性 / 设置属性 / 删除消息队列

三、API 函数详解

1. ftok () ------ 生成 key

功能：根据文件路径 + 项目 id，生成唯一的key_t键值，供 msgget 使用

复制代码

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

参数
- path：存在的合法文件路径（一般用当前目录）
- proj_id：项目编号，仅低 8bit 有效，填一个整数即可
返回值
- 成功：返回合法 key
- 失败：-1

注意：同一个 path+proj_id，生成的 key 相同，多个进程就可以打开同一个消息队列

2. msgget () ------ 创建 / 获取消息队列，得到 msqid

功能：使用 key，创建消息队列或者获取已存在队列的 ID

复制代码

int msgget(key_t key, int msgflg);

参数
- key：ftok 产生的键值
- msgflg：标志位，IPC_CREAT | 权限
  - IPC_CREAT：队列不存在则创建；存在则直接打开
  - mode：访问权限，如0664
返回值
- 成功：消息队列 ID（msqid）
- 失败：-1

3. msgsnd () ------ 发送消息到队列

功能：往消息队列写入一条消息

复制代码

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

参数
- msqid：消息队列 ID
- msgp：消息缓冲区，固定结构体模板
  复制代码
```
struct msgbuf{
    long mtype;      // 消息类型标识，必须>0
    char mtext[1];   // 消息正文（柔性数组，存放数据）
};
```
- msgsz：消息正文 mtext 的字节长度，不包含 mtype
- msgflg：
  - 0：阻塞发送；队列满时，进程阻塞等待
  - IPC_NOWAIT：非阻塞；队列满直接返回失败，不等待
返回值
- 成功：0
- 失败：-1

4. msgrcv () ------ 从队列读取消息

功能：从消息队列读取指定类型的消息

复制代码

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

参数
- msqid：消息队列 ID
- msgp：接收消息缓冲区，和发送端 msgbuf 结构一致
- msgsz：缓冲区能存放正文的最大字节数
- msgtyp：要接收的消息类型
  - >0：读取 mtype 等于 msgtyp 的消息
- msgflg
  - 0：阻塞读取，没有对应消息就阻塞等待
  - IPC_NOWAIT：非阻塞，无消息直接返回 - 1
  - MSG_NOERROR：消息正文过长时，截断超出部分，不报错
返回值
- 成功：读到的消息正文字节数
- 失败：-1

5. msgctl () ------ 控制消息队列

功能：获取、修改消息队列属性，删除消息队列

复制代码

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

参数
- msqid：消息队列 ID
- cmd 控制命令：
  - IPC_STAT：获取队列属性，存入 buf
  - IPC_SET：修改队列属性（buf 中设置）
  - IPC_RMID：删除消息队列，buf 传 NULL 即可
- buf：msqid_ds 结构体，存放属性信息；IPC_RMID 时填 NULL
返回值
- 成功：0
- 失败：-1

四、实战演练

发送端代码：

cpp 复制代码

/* msgsnd.c：System V 消息队列发送端 */

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

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define BUFFER_SIZE 512

struct message {
    long msg_type;                  /* 消息类型必须大于 0 */
    char msg_text[BUFFER_SIZE];     /* 消息正文 */
};

int main(void)
{
    int qid;
    key_t key;
    struct message msg;

    /*
     * 根据一个真实存在的路径和项目编号生成 key。
     * /tmp 必须存在；项目编号实际只使用低 8 位。
     */
    key = ftok("/tmp", 11);
    if (key == (key_t)-1) {
        perror("ftok");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    /*
     * 获取或创建消息队列：
     * IPC_CREAT：不存在时创建
     * 0666：请求读写权限，最终权限还会受 umask 影响
     */
    qid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
    if (qid == -1) {
        perror("msgget");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    printf("Open queue %d\n", qid);

    for (;;) {
        printf("Enter some message to the queue: ");
        fflush(stdout);

        if (fgets(msg.msg_text, sizeof msg.msg_text, stdin) == NULL) {
            if (feof(stdin)) {
                puts("\nEnd of input");
                break;
            }

            perror("fgets");
            return EXIT_FAILURE;
        }

        /*
         * 消息类型必须是正整数。
         * 使用发送进程 PID，接收端可按 PID 选择消息。
         */
        msg.msg_type = (long)getpid();

        /*
         * msgsz 只计算消息正文长度，
         * 不能把前面的 long msg_type 计算进去。
         */
        if (msgsnd(qid,
                   &msg,
                   strlen(msg.msg_text),
                   0) == -1) {
            perror("msgsnd");
            return EXIT_FAILURE;
        }

        puts("Message posted");

        /*
         * quit 消息已经发送到消息队列，
         * 然后发送端结束。
         *
         * fgets() 会保留换行符，因此输入 quit 后，
         * 缓冲区一般是 "quit\n"，比较前 4 个字符即可。
         */
        if (strncmp(msg.msg_text, "quit", 4) == 0) {
            break;
        }
    }

    return EXIT_SUCCESS;
}

编译：

复制代码

gcc -Wall -Wextra -Wpedantic -std=c11 msgsnd.c -o msgsnd

运行：

复制代码

./msgsnd

接收端代码：

cpp 复制代码

/* msgrcv.c：System V 消息队列接收端 */

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

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define BUFFER_SIZE 512

struct message {
    long msg_type;                  /* 消息类型，必须大于 0 */
    char msg_text[BUFFER_SIZE];     /* 消息正文 */
};

int main(void)
{
    int qid;
    key_t key;
    struct message msg;

    /*
     * 必须和发送端使用相同的路径及项目编号，
     * 否则生成的 key 不同，双方无法打开同一个消息队列。
     */
    key = ftok("/tmp", 11);
    if (key == (key_t)-1) {
        perror("ftok");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    /*
     * 获取或创建消息队列。
     * 发送端和接收端使用相同的 key，因此会得到同一个 qid。
     */
    qid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
    if (qid == -1) {
        perror("msgget");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    printf("Open queue %d\n", qid);

    for (;;) {
        ssize_t received;

        /*
         * 先清空消息正文。
         * 最多接收 BUFFER_SIZE - 1 字节，
         * 为字符串末尾的 '\0' 保留空间。
         */
        memset(msg.msg_text, 0, sizeof msg.msg_text);

        /*
         * msgtyp == 0：
         * 接收消息队列中的第一条消息，不限制消息类型。
         *
         * flags == 0：
         * 如果队列中没有消息，接收进程阻塞等待。
         */
        received = msgrcv(
            qid,
            &msg,
            sizeof msg.msg_text - 1,
            0,
            0
        );

        if (received == -1) {
            perror("msgrcv");
            return EXIT_FAILURE;
        }

        /*
         * msgrcv() 返回消息正文的实际字节数，
         * 显式补上字符串结束符。
         */
        msg.msg_text[received] = '\0';

        printf(
            "The message from process %ld: %s",
            msg.msg_type,
            msg.msg_text
        );

        /*
         * 发送端使用 fgets() 读取，
         * 所以输入 quit 后消息一般是 "quit\n"。
         * 比较前四个字符即可。
         */
        if (strncmp(msg.msg_text, "quit", 4) == 0) {
            break;
        }
    }

    /*
     * 将消息队列从内核中删除。
     * IPC_RMID 会使该队列不能再用于发送或接收。
     */
    if (msgctl(qid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
        perror("msgctl");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    return EXIT_SUCCESS;
}

编译：

复制代码

gcc -Wall -Wextra -Wpedantic -std=c11 msgrcv.c -o msgrcv

先运行接收端：

复制代码

./msgrcv

再打开另一个终端运行发送端：

复制代码

./msgsnd

执行关系图：

cpp 复制代码

发送端            消息队列                    接收端

ftok("/tmp", 11) ─────┐       ┌──── ftok("/tmp", 11)
                      ↓       ↓
                      相同的 key
                      ↓
               msgget() 得到相同 qid
                      ↓
msgsnd(qid, ...) ──→ [ 消息 ] ──→ msgrcv(qid, ...)
                      ↓
输入 quit 并发送 ───────────────→ 接收 quit
                                      ↓
                               msgctl(IPC_RMID)
                                      ↓
                                  删除队列

五、核心特点总结

消息自带mtype类型标签，可以按类型选择性接收消息，不用按先进先出顺序读取，这是消息队列最大特点。
内核持久化：进程退出，消息队列和里面消息仍然保留，必须 msgctl (IPC_RMID) 手动删除，否则一直占用内核资源。
阻塞 / 非阻塞模式由 msgsnd、msgrcv 的 msgflg 控制。

六、命令行调试命令

复制代码

ipcs -q      # 查看系统所有消息队列
ipcrm -q msqid  # 删除指定消息队列