Linux进程间通信之消息队列

本文依据以下思路展开，首先从宏观上阐述消息队列的机制，然后以具体代码为例进一步阐述该机制，最后试着畅想一下该通信机制潜在的应用。

消息队列是在两个不相关进程间传递数据的一种简单、高效方式，她独立于发送进程、接受进程而存在。

图1 消息队列通信机制示意图

首先从宏观的角度了解一下消息队列的工作机制。因为消息队列独立于进程而存在，为了区别不同的消息队列，需要以key值标记消息队列，这样两个不相关进程可以通过事先约定的key值通过消息队列进行消息收发。例如进程A向key消息队列发送消息，进程B从Key消息队列读取消息。在这一过程中主要涉及到四个函数：

#include <sys/msg.h> # 消息队列相关函数及数据结构头文件

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);# 控制消息队列函数

int msgget(key_t key, int msgflg); # 创建消息队列，key值唯一标识该消息队列

int msgrcv(int msqid, void *msg_ptr, size_t msg_sz, long int msgtype, int msgflg);# 接收消息

int msgsnd(int msqid, const void *msg_ptr, size_t msg_sz, int msgflg);# 发送消息

下面结合代码实例，对上述过程进行分析（具体分析见代码注释）

# msg1.c 接收端#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/msg.h> # 包含消息队列相关函数及数据结构的头文件
struct my_msg_st {
    long int my_msg_type;
    char some_text[BUFSIZ];
};# 消息格式
int main()
{
    int running = 1;
    int msgid;
    struct my_msg_st some_data;
    long int msg_to_receive = 0;
    
    msgid = msgget((key_t)1234, 0666 | IPC_CREAT);# 创建标识符为key = 1234 的消息队列，注意发送端与接收端该值的一致性
    if (msgid == -1) {
        fprintf(stderr, “msgget failed with error: %d\n”, errno);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }# 错误处理：msgget调用成功返回消息队列标识符，调用失败返回-1
    
    while(running) {
        if (msgrcv(msgid, (void *)&some_data, BUFSIZ,msg_to_receive, 0) == -1) { # 从消息队列接收消息，如果接收失败执行if语句并退出
                fprintf(stderr, “msgrcv failed with error: %d\n”, errno);
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
        printf(“You wrote: %s”, some_data.some_text);
        if (strncmp(some_data.some_text, “end”, 3) == 0) { # 如果接收到文本含有“end”，将running设置为0，效果是：退出while循环
            running = 0;
        }
    }
    
    if (msgctl(msgid, IPC_RMID, 0) == -1) { # 删除消息队列，如果删除失败执行if语句并退出
        fprintf(stderr, “msgctl(IPC_RMID) failed\n”);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

 

# msg2.c 发送端

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/msg.h>
#define MAX_TEXT 512
struct my_msg_st {
    long int my_msg_type;
    char some_text[MAX_TEXT];
};# 消息格式，与接收端一致
int main()
{
    int running = 1;
    struct my_msg_st some_data;
    int msgid;
    char buffer[BUFSIZ];
    msgid = msgget((key_t)1234, 0666 | IPC_CREAT);# 创建消息标识符key = 1234的消息队列。如果该队列已经存在，则直接返回该队列的标识符，以便向该消息队列收发消息
    if (msgid == -1) {
        fprintf(stderr, “msgget failed with error: %d\n”, errno);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }# 错误处理，同接收者msg1
    while(running) {
        printf(“Enter some text: “); 
        fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);# 由控制台输入文本，并将其存放在buffer之中
        some_data.my_msg_type = 1;# 类型填充，在本例中没有特别含义
        strcpy(some_data.some_text, buffer);# 将buffer数据复制到some_text之中
        if (msgsnd(msgid, (void *)&some_data, MAX_TEXT, 0) == -1) { # 向消息队列发送消息，如果发送失败执行if语句并退出
            fprintf(stderr, “msgsnd failed\n”);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        if (strncmp(buffer, “end”, 3) == 0) {# 如果发送的“end”，则在发送“end”之后，退出while，结束程序
            running = 0;
        }
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

 以下是在控制台模拟的结果：

$ ./msg2

Enter some text: hello

Enter some text: How are you today?

Enter some text: end

$ ./msg1

You wrote: hello

You wrote: How are you today?

You wrote: end

$

消息队列潜在应用

图2 消息队列在守护进程中的应用

如图2所示，假如有三个图形界面程序，他们分别对应进程1、进程2、进程3。这三个应用程序都需要鼠标、键盘操作，如果在每个进程都加入捕获鼠标、键盘操作的代码，那么一共需要三份这样的代码，有点浪费资源（内存空间）。如果我们将捕获鼠标、键盘操作的代码独立出来做成一个单独的进程，该进程向特定的消息队列发送捕获的鼠标、键盘操作，当前激活图像程序可以从该消息队列中提取相应的鼠标、键盘操作，然后据此执行后续的指令。以这种方式，能够将不同应用程序中，共性的部分提取出来，从而简化应用程序的设计和设计更加优化的共性处理程序。

消息队列潜在应用之升华

处理程序共性部分的一些方法：

库：通用的一些功能实现为库函数，对外提供定义良好的借口；应用程序在应用这些功能的时候，只需调用相应接口即可。

守护进程：将应用程序的共性部分提出出来实现为守护进程，通过某种通信机制实现守护进程与应用程序的信息交互。

参考资料：《Linux程序设计 第四版》

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