【进程与线程】SystemVIPC：消息队列（MessageQueue）

System V 消息队列（Message Queue）

消息队列（Message Queue）是 System V IPC 机制中的一种 进程间通信（IPC） 方式，允许进程通过发送和接收格式化消息进行通信。

System V IPC：消息队列（Message Queue） 1> 先进先出的队列 因为消息队列允许根据消息类型非顺序读取：例如，可以指定接收特定类型的消息， 2> 消息队列的格式： 消息类型 + 消息正文 使用ipcs命令时显示的列: key msqid owner perms used-bytes messages 已经使用的字节数 当前消息队列中未读的消息数 key:创建消息队列时使用的键值。 msqid:消息队列的标识符。 owner:拥有者。 perms:权限。 used-bytes:已使用的字节数。 messages:队列中的消息数量。 覆盖消息队列的基本操作： 创建或获取消息队列（msgget） 发送消息（msgsnd） 接收消息（msgrcv） 控制消息队列（msgctl）

消息队列是先进先出的队列，实际中消息队列允许根据消息类型进行读取，不完全是FIFO。消息的格式为：消息类型加消息正文 ——> 例如，在C语言中如何使用struct来定义消息，其中必须包含一个长整型的消息类型字段，然后是消息正文。

消息队列的特点：内核持久性，即使进程结束，消息队列仍然存在，除非显式删除；权限管理，类似文件权限，如何设置读写权限。消息队列的优点在于可以异步通信，数据有结构，缺点是需要内核操作，效率不如共享内存，且存在系统限制（如最大消息数、消息大小限制）。“先进先出的队列”：因为消息队列允许根据消息类型非顺序读取。例如，可以指定接收特定类型的消息，或者按类型优先级读取。因此，消息队列并不是严格的FIFO，但默认情况下可能是按发送顺序接收的，除非指定了不同的消息类型优先级。

一、消息队列的核心特性 消息结构 每条消息包含两个部分： 消息类型（long mtype）：用于标识消息的优先级或类别。消息正文（用户自定义数据）：任意长度的数据字段。 消息结构示例： struct msgbuf { long mtype; // 消息类型（必须 > 0） char mtext[100]; // 消息正文（长度可自定义） }; 先进先出（FIFO）与优先级读取 默认FIFO：消息按发送顺序排队。按类型读取：接收时可指定消息类型，实现优先级或选择性读取。 内核持久性 消息队列由内核维护，生命周期独立于进程。需显式删除（msgctl(..., IPC_RMID)），否则持续存在直至系统重启。 二、消息队列的管理与操作

创建或获取消息队列

使用 msgget() 创建或获取消息队列标识符：

#include <sys/msg.h> key_t key = ftok("/tmp", 'A'); // 生成唯一键值 int msqid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666); key：唯一标识消息队列的键值（通过 ftok() 生成）。msgflg：权限标志（如 IPC_CREAT | 0666）。 发送消息

使用 msgsnd() 向队列发送消息：

struct msgbuf msg; msg.mtype = 1; // 消息类型 strcpy(msg.mtext, "Hello Message Queue"); msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); // 阻塞发送 msqid：消息队列标识符。msgp：指向消息结构体的指针。msgsz：消息正文长度（不包含 mtype）。msgflg：标志（如 IPC_NOWAIT 非阻塞发送）。 接收消息

使用 msgrcv() 从队列接收消息：

struct msgbuf msg; ssize_t bytes = msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 1, 0); // 接收类型为1的消息 printf("Received: %s\n", msg.mtext); msgtyp：指定接收的消息类型： =0：接收队列中第一条消息。>0：接收类型等于 msgtyp 的第一条消息。<0：接收类型 ≤ |msgtyp| 的最小类型消息。 控制消息队列

使用 msgctl() 管理消息队列：

msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL); // 删除消息队列 cmd：控制命令（如 IPC_STAT 获取状态，IPC_RMID 删除队列）。 三、消息队列的状态查看

通过 ipcs -q 命令查看系统中的消息队列信息：

ipcs -q ------ Message Queues -------- key msqid owner perms used-bytes messages 0x61005a3d 12345 user 666 1024 5 key：消息队列的唯一键值。msqid：消息队列的标识符。owner：队列拥有者。perms：权限（八进制格式，如 666 表示所有用户可读写）。used-bytes：队列中所有消息占用的总字节数。messages：队列中当前未读的消息数量。 四、消息队列的底层实现 内核数据结构 struct msg_queue：内核为每个消息队列维护的结构体，包含消息链表、权限、统计信息等。消息存储：消息以链表形式存储，按类型和到达时间排序。 同步与阻塞机制 发送阻塞：若队列满（受系统限制 msgmnb），发送进程阻塞或返回错误。接收阻塞：若队列空或指定类型消息不存在，接收进程阻塞或返回错误。 系统限制 msgmax：单条消息的最大长度（通过 sysctl kernel.msgmax 查看）。msgmnb：队列的最大字节数。msgmni：系统允许的最大消息队列数。

代码示例：

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/msg.h> int main() { //1- 获得键值key key_t key = ftok("/",0x3); if(key == -1) { perror("ftok"); return -1; } //2- 利用key 创建/打开消息队列 //int msgget(key_t key, int msgflg); int msgid = msgget(key,IPC_CREAT | 0666); if(msgid == -1) { perror("msgget"); return -1; } printf("key = %#x,msgid = %d\n",key,msgid); //查看消息队列的属性 struct msqid_ds msg; int ret = msgctl(msgid,IPC_STAT,&msg); if(ret == -1) { perror("msgctl"); return -1; } #if 0 struct msqid_ds { struct ipc_perm msg_perm; /* Ownership and permissions */ time_t msg_stime; /* Time of last msgsnd(2) 消息队队列最后发送的时间 */ time_t msg_rtime; /* Time of last msgrcv(2) 消息队队列最后接受的时间*/ time_t msg_ctime; /* Time of last change消息队队列最后更改的时间 */ unsigned long __msg_cbytes; /* Current number of bytes in queue (nonstandard) 消息队列当前的字节数 */ msgqnum_t msg_qnum; /* Current number of messages in queue消息队列当前的消息数 */ msglen_t msg_qbytes; /* Maximum number of bytes allowed in queue 消队列允许的最大字节数*/ pid_t msg_lspid; /* PID of last msgsnd(2) 最后调用msgsnd函数的进程PID*/ pid_t msg_lrpid; /* PID of last msgrcv(2) 最后调用msgrcv函数的进程PID*/ }; #endif printf("__msg_cbytes = %lu\n",msg.__msg_cbytes); printf("msg_qnum = %ld\n",msg.msg_qnum); printf("msg_qbytes = %lu\n",msg.msg_qbytes); return 0; } 五、代码示例：进程间通信

发送进程（sender.c）

#include <sys/msg.h> #include <stdio.h> #include <string.h> struct msgbuf { long mtype; char mtext[100]; }; int main() { key_t key = ftok("/tmp", 'A'); int msqid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666); struct msgbuf msg; msg.mtype = 1; strcpy(msg.mtext, "Hello from Sender!"); msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0); printf("Sender sent: %s\n", msg.mtext); return 0; }

接收进程（receiver.c）

#include <sys/msg.h> #include <stdio.h> struct msgbuf { long mtype; char mtext[100]; }; int main() { key_t key = ftok("/tmp", 'A'); int msqid = msgget(key, 0666); struct msgbuf msg; msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 1, 0); printf("Receiver received: %s\n", msg.mtext); msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL); // 删除消息队列 return 0; }

运行步骤：

编译并运行发送进程： gcc sender.c -o sender ./sender 编译并运行接收进程： gcc receiver.c -o receiver ./receiver 优点缺点支持消息类型和优先级内核操作，性能低于共享内存数据有结构，易解析系统限制可能影响扩展性异步通信，无需实时同步生命周期需显式管理

消息队列适用的场景：1. 结构化数据通信：需要按类型处理消息的场景（如任务分发）。2. 跨进程异步通知：生产者-消费者模型。3. 替代简单网络通信：同一主机内进程间的高效通信。

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