本系列文章中的前兩部分，我們探討管道及信號兩種通信機(jī)制，本文將深入第三部分，介紹系統(tǒng) V 消息隊列及其相應(yīng) API。

消息隊列（也叫做報文隊列）能夠克服早期unix通信機(jī)制的一些缺點(diǎn)。作為早期unix通信機(jī)制之一的信號能夠傳送的信息量有限，后來雖然 POSIX 1003.1b在信號的實(shí)時性方面作了拓廣，使得信號在傳遞信息量方面有了相當(dāng)程度的改進(jìn)，但是信號這種通信方式更像"即時"的通信方式，它要求接受信號 的進(jìn)程在某個時間范圍內(nèi)對信號做出反應(yīng)，因此該信號最多在接受信號進(jìn)程的生命周期內(nèi)才有意義，信號所傳遞的信息是接近于隨進(jìn)程持續(xù)的概念 （process-persistent），見附錄 1；管道及有名管道及有名管道則是典型的隨進(jìn)程持續(xù)IPC，并且，只能傳送無格式的字節(jié)流無疑會給應(yīng)用程序開發(fā)帶來不便，另外，它的緩沖區(qū)大小也受到限制。

消息隊列就是一個消息的鏈表。可以把消息看作一個記錄，具有特定的格式以及特定的優(yōu)先級。對消息隊列有寫權(quán)限的進(jìn)程可以向中按照一定的規(guī)則添加新消息；對消息隊列有讀權(quán)限的進(jìn)程則可以從消息隊列中讀走消息。消息隊列是隨內(nèi)核持續(xù)的（參見附錄 1）。

目前主要有兩種類型的消息隊列：POSIX消息隊列以及系統(tǒng)V消息隊列，系統(tǒng)V消息隊列目前被大量使用。考慮到程序的可移植性，新開發(fā)的應(yīng)用程序應(yīng)盡量使用POSIX消息隊列。

在本系列專題的序（深刻理解Linux進(jìn)程間通信（IPC））中，提到對于消息隊列、信號燈、以及共享內(nèi)存區(qū)來說，有兩個實(shí)現(xiàn)版本：POSIX的以 及系統(tǒng)V的。Linux內(nèi)核（內(nèi)核2.4.18）支持POSIX信號燈、POSIX共享內(nèi)存區(qū)以及POSIX消息隊列，但對于主流Linux發(fā)行版本之一 redhad8.0（內(nèi)核2.4.18），還沒有提供對POSIX進(jìn)程間通信API的支持，不過應(yīng)該只是時間上的事。

因此，本文將主要介紹系統(tǒng)V消息隊列及其相應(yīng)API。在沒有聲明的情況下，以下討論中指的都是系統(tǒng)V消息隊列。

一、消息隊列基本概念

1. 系統(tǒng)V消息隊列是隨內(nèi)核持續(xù)的，只有在內(nèi)核重起或者顯示刪除一個消息隊列時，該消息隊列才會真正被刪除。因此系統(tǒng)中記錄消息隊列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（struct ipc_ids msg_ids）位于內(nèi)核中，系統(tǒng)中的所有消息隊列都可以在結(jié)構(gòu)msg_ids中找到訪問入口。
2. 消息隊列就是一個消息的鏈表。每個消息隊列都有一個隊列頭，用結(jié)構(gòu)struct msg_queue來描述（參見附錄 2）。隊列頭中包含了該消息隊列的大量信息，包括消息隊列鍵值、用戶ID、組ID、消息隊列中消息數(shù)目等等，甚至記錄了最近對消息隊列讀寫進(jìn)程的ID。讀者可以訪問這些信息，也可以設(shè)置其中的某些信息。
3. 下圖說明了內(nèi)核與消息隊列是怎樣建立起聯(lián)系的：
   其中：struct ipc_ids msg_ids是內(nèi)核中記錄消息隊列的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；struct msg_queue是每個消息隊列的隊列頭。

從上圖可以看出，全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu) struct ipc_ids msg_ids 可以訪問到每個消息隊列頭的第一個成員：struct kern_ipc_perm；而每個struct kern_ipc_perm能夠與具體的消息隊列對應(yīng)起來是因?yàn)樵谠摻Y(jié)構(gòu)中，有一個key_t類型成員key，而key則唯一確定一個消息隊列。 kern_ipc_perm結(jié)構(gòu)如下：

struct kern_ipc_perm{   //內(nèi)核中記錄消息隊列的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)msg_ids能夠訪問到該結(jié)構(gòu)；
            key_t   key;    //該鍵值則唯一對應(yīng)一個消息隊列
            uid_t   uid;
            gid_t   gid;
uid_t   cuid;
gid_t   cgid;
mode_t  mode;
unsigned long seq;
}

二、操作消息隊列

對消息隊列的操作無非有下面三種類型：

1、 打開或創(chuàng)建消息隊列
消息隊列的內(nèi)核持續(xù)性要求每個消息隊列都在系統(tǒng)范圍內(nèi)對應(yīng)唯一的鍵值，所以，要獲得一個消息隊列的描述字，只需提供該消息隊列的鍵值即可；

注：消息隊列描述字是由在系統(tǒng)范圍內(nèi)唯一的鍵值生成的，而鍵值可以看作對應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的一條路經(jīng)。

2、 讀寫操作

消息讀寫操作非常簡單，對開發(fā)人員來說，每個消息都類似如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

struct msgbuf{
long mtype;
char mtext[1];
};

mtype成員代表消息類型，從消息隊列中讀取消息的一個重要依據(jù)就是消息的類型；mtext是消息內(nèi)容，當(dāng)然長度不一定為1。因此，對于發(fā)送消息 來說，首先預(yù)置一個msgbuf緩沖區(qū)并寫入消息類型和內(nèi)容，調(diào)用相應(yīng)的發(fā)送函數(shù)即可；對讀取消息來說，首先分配這樣一個msgbuf緩沖區(qū)，然后把消息 讀入該緩沖區(qū)即可。

3、 獲得或設(shè)置消息隊列屬性：

消息隊列的信息基本上都保存在消息隊列頭中，因此，可以分配一個類似于消息隊列頭的結(jié)構(gòu)(struct msqid_ds，見附錄 2)，來返回消息隊列的屬性；同樣可以設(shè)置該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

消息隊列API

1、文件名到鍵值

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok (char*pathname, char proj)；

它返回與路徑pathname相對應(yīng)的一個鍵值。該函數(shù)不直接對消息隊列操作，但在調(diào)用ipc(MSGGET,…)或msgget()來獲得消息隊列描述字前，往往要調(diào)用該函數(shù)。典型的調(diào)用代碼是：

   key=ftok(path_ptr, 'a');
    ipc_id=ipc(MSGGET, (int)key, flags,0,NULL,0);
    …

2、linux為操作系統(tǒng)V進(jìn)程間通信的三種方式（消息隊列、信號燈、共享內(nèi)存區(qū)）提供了一個統(tǒng)一的用戶界面：
int ipc(unsigned int call, int first, int second, int third, void *ptr, long fifth);

第一個參數(shù)指明對IPC對象的操作方式，對消息隊列而言共有四種操作：MSGSND、MSGRCV、MSGGET以及MSGCTL，分別代表向消息 隊列發(fā)送消息、從消息隊列讀取消息、打開或創(chuàng)建消息隊列、控制消息隊列；first參數(shù)代表唯一的IPC對象；下面將介紹四種操作。

• int ipc(MSGGET, int first, int second, int third, void *ptr, long fifth);
  與該操作對應(yīng)的系統(tǒng)V調(diào)用為：int msgget( (key_t)first，second)。
• int ipc(MSGCTL, int first, int second, int third, void *ptr, long fifth)
  與該操作對應(yīng)的系統(tǒng)V調(diào)用為：int msgctl( first，second, (struct msqid_ds*) ptr)。
• int ipc(MSGSND, int first, int second, int third, void *ptr, long fifth);
  與該操作對應(yīng)的系統(tǒng)V調(diào)用為：int msgsnd( first, (struct msgbuf*)ptr, second, third)。
• int ipc(MSGRCV, int first, int second, int third, void *ptr, long fifth);
  與該操作對應(yīng)的系統(tǒng)V調(diào)用為：int msgrcv( first，(struct msgbuf*)ptr, second, fifth,third)，

注：本人不主張采用系統(tǒng)調(diào)用ipc()，而更傾向于采用系統(tǒng)V或者POSIX進(jìn)程間通信API。原因如下：

• 雖然該系統(tǒng)調(diào)用提供了統(tǒng)一的用戶界面，但正是由于這個特性，它的參數(shù)幾乎不能給出特定的實(shí)際意義（如以first、second來命名參數(shù)），在一定程度上造成開發(fā)不便。
• 正如ipc手冊所說的：ipc()是linux所特有的，編寫程序時應(yīng)注意程序的移植性問題；
• 該系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)不過是把系統(tǒng)V IPC函數(shù)進(jìn)行了封裝，沒有任何效率上的優(yōu)勢；
• 系統(tǒng)V在IPC方面的API數(shù)量不多，形式也較簡潔。

3.系統(tǒng)V消息隊列API
系統(tǒng)V消息隊列API共有四個，使用時需要包括幾個頭文件：

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

1）int msgget(key_t key, int msgflg)

參數(shù)key是一個鍵值，由ftok獲得；msgflg參數(shù)是一些標(biāo)志位。該調(diào)用返回與健值key相對應(yīng)的消息隊列描述字。

在以下兩種情況下，該調(diào)用將創(chuàng)建一個新的消息隊列：

• 如果沒有消息隊列與健值key相對應(yīng)，并且msgflg中包含了IPC_CREAT標(biāo)志位；
• key參數(shù)為IPC_PRIVATE；

參數(shù)msgflg可以為以下：IPC_CREAT、IPC_EXCL、IPC_NOWAIT或三者的或結(jié)果。

調(diào)用返回：成功返回消息隊列描述字，否則返回-1。

注：參數(shù)key設(shè)置成常數(shù)IPC_PRIVATE并不意味著其他進(jìn)程不能訪問該消息隊列，只意味著即將創(chuàng)建新的消息隊列。

2）int msgrcv(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, long msgtyp, int msgflg);
該系統(tǒng)調(diào)用從msgid代表的消息隊列中讀取一個消息，并把消息存儲在msgp指向的msgbuf結(jié)構(gòu)中。

msqid為消息隊列描述字；消息返回后存儲在msgp指向的地址，msgsz指定msgbuf的mtext成員的長度（即消息內(nèi)容的長度），msgtyp為請求讀取的消息類型；讀消息標(biāo)志msgflg可以為以下幾個常值的或：

• IPC_NOWAIT 如果沒有滿足條件的消息，調(diào)用立即返回，此時，errno=ENOMSG
• IPC_EXCEPT 與msgtyp>0配合使用，返回隊列中第一個類型不為msgtyp的消息
• IPC_NOERROR 如果隊列中滿足條件的消息內(nèi)容大于所請求的msgsz字節(jié)，則把該消息截斷，截斷部分將丟失。

msgrcv手冊中詳細(xì)給出了消息類型取不同值時(>0; <0; =0)，調(diào)用將返回消息隊列中的哪個消息。

msgrcv()解除阻塞的條件有三個：

1. 消息隊列中有了滿足條件的消息；
2. msqid代表的消息隊列被刪除；
3. 調(diào)用msgrcv（）的進(jìn)程被信號中斷；

調(diào)用返回：成功返回讀出消息的實(shí)際字節(jié)數(shù)，否則返回-1。

3）int msgsnd(int msqid, struct msgbuf *msgp, int msgsz, int msgflg);
向msgid代表的消息隊列發(fā)送一個消息，即將發(fā)送的消息存儲在msgp指向的msgbuf結(jié)構(gòu)中，消息的大小由msgze指定。

對發(fā)送消息來說，有意義的msgflg標(biāo)志為IPC_NOWAIT，指明在消息隊列沒有足夠空間容納要發(fā)送的消息時，msgsnd是否等待。造成msgsnd()等待的條件有兩種：

• 當(dāng)前消息的大小與當(dāng)前消息隊列中的字節(jié)數(shù)之和超過了消息隊列的總?cè)萘浚?
• 當(dāng)前消息隊列的消息數(shù)（單位"個"）不小于消息隊列的總?cè)萘浚▎挝?字節(jié)數(shù)"），此時，雖然消息隊列中的消息數(shù)目很多，但基本上都只有一個字節(jié)。

1. 不滿足上述兩個條件，即消息隊列中有容納該消息的空間；
2. msqid代表的消息隊列被刪除；
3. 調(diào)用msgsnd（）的進(jìn)程被信號中斷；

調(diào)用返回：成功返回0，否則返回-1。

4）int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
該系統(tǒng)調(diào)用對由msqid標(biāo)識的消息隊列執(zhí)行cmd操作，共有三種cmd操作：IPC_STAT、IPC_SET 、IPC_RMID。

1. IPC_STAT：該命令用來獲取消息隊列信息，返回的信息存貯在buf指向的msqid結(jié)構(gòu)中；
2. IPC_SET：該命令用來設(shè)置消息隊列的屬性，要設(shè)置的屬性存儲在buf指向的msqid結(jié)構(gòu)中；可設(shè)置屬性包括：msg_perm.uid、msg_perm.gid、msg_perm.mode以及msg_qbytes，同時，也影響msg_ctime成員。
3. IPC_RMID：刪除msqid標(biāo)識的消息隊列；

調(diào)用返回：成功返回0，否則返回-1。

三、消息隊列的限制
每個消息隊列的容量（所能容納的字節(jié)數(shù)）都有限制，該值因系統(tǒng)不同而不同。在后面的應(yīng)用實(shí)例中，輸出了redhat 8.0的限制，結(jié)果參見附錄 3。

另一個限制是每個消息隊列所能容納的最大消息數(shù)：在redhad 8.0中，該限制是受消息隊列容量制約的：消息個數(shù)要小于消息隊列的容量（字節(jié)數(shù)）。

注：上述兩個限制是針對每個消息隊列而言的，系統(tǒng)對消息隊列的限制還有系統(tǒng)范圍內(nèi)的最大消息隊列個數(shù)，以及整個系統(tǒng)范圍內(nèi)的最大消息數(shù)。一般來說，實(shí)際開發(fā)過程中不會超過這個限制。

四、消息隊列應(yīng)用實(shí)例
消息隊列應(yīng)用相對較簡單，下面實(shí)例基本上覆蓋了對消息隊列的所有操作，同時，程序輸出結(jié)果有助于加深對前面所講的某些規(guī)則及消息隊列限制的理解。

#include <sys/types.h>
#include <sys/msg.h>
#include <unistd.h>
void msg_stat(int,struct msqid_ds );
main()
{
int gflags,sflags,rflags;
key_t key;
int msgid;
int reval;
struct msgsbuf{
        int mtype;
        char mtext[1];
    }msg_sbuf;
struct msgmbuf
    {
    int mtype;
    char mtext[10];
    }msg_rbuf;
struct msqid_ds msg_ginfo,msg_sinfo;
char* msgpath="/unix/msgqueue";
key=ftok(msgpath,'a');
gflags=IPC_CREAT|IPC_EXCL;
msgid=msgget(key,gflags|00666);
if(msgid==-1)
{
    printf("msg create error\n");
    return;
}
//創(chuàng)建一個消息隊列后，輸出消息隊列缺省屬性
msg_stat(msgid,msg_ginfo);
sflags=IPC_NOWAIT;
msg_sbuf.mtype=10;
msg_sbuf.mtext[0]='a';
reval=msgsnd(msgid,&msg_sbuf,sizeof(msg_sbuf.mtext),sflags);
if(reval==-1)
{
    printf("message send error\n");
}
//發(fā)送一個消息后，輸出消息隊列屬性
msg_stat(msgid,msg_ginfo);
rflags=IPC_NOWAIT|MSG_NOERROR;
reval=msgrcv(msgid,&msg_rbuf,4,10,rflags);
if(reval==-1)
    printf("read msg error\n");
else
    printf("read from msg queue %d bytes\n",reval);
//從消息隊列中讀出消息后，輸出消息隊列屬性
msg_stat(msgid,msg_ginfo);
msg_sinfo.msg_perm.uid=8;//just a try
msg_sinfo.msg_perm.gid=8;//
msg_sinfo.msg_qbytes=16388;
//此處驗(yàn)證超級用戶可以更改消息隊列的缺省msg_qbytes
//注意這里設(shè)置的值大于缺省值
reval=msgctl(msgid,IPC_SET,&msg_sinfo);
if(reval==-1)
{
    printf("msg set info error\n");
    return;
}
msg_stat(msgid,msg_ginfo);
//驗(yàn)證設(shè)置消息隊列屬性
reval=msgctl(msgid,IPC_RMID,NULL);//刪除消息隊列
if(reval==-1)
{
    printf("unlink msg queue error\n");
    return;
}
}
void msg_stat(int msgid,struct msqid_ds msg_info)
{
int reval;
sleep(1);//只是為了后面輸出時間的方便
reval=msgctl(msgid,IPC_STAT,&msg_info);
if(reval==-1)
{
    printf("get msg info error\n");
    return;
}
printf("\n");
printf("current number of bytes on queue is %d\n",msg_info.msg_cbytes);
printf("number of messages in queue is %d\n",msg_info.msg_qnum);
printf("max number of bytes on queue is %d\n",msg_info.msg_qbytes);
//每個消息隊列的容量（字節(jié)數(shù)）都有限制MSGMNB，值的大小因系統(tǒng)而異。在創(chuàng)建新的消息隊列時，//msg_qbytes的缺省值就是MSGMNB
printf("pid of last msgsnd is %d\n",msg_info.msg_lspid);
printf("pid of last msgrcv is %d\n",msg_info.msg_lrpid);
printf("last msgsnd time is %s", ctime(&(msg_info.msg_stime)));
printf("last msgrcv time is %s", ctime(&(msg_info.msg_rtime)));
printf("last change time is %s", ctime(&(msg_info.msg_ctime)));
printf("msg uid is %d\n",msg_info.msg_perm.uid);
printf("msg gid is %d\n",msg_info.msg_perm.gid);
}

小結(jié)：
消息隊列 與管道以及有名管道相比，具有更大的靈活性，首先，它提供有格式字節(jié)流，有利于減少開發(fā)人員的工作量；其次，消息具有類型，在實(shí)際應(yīng)用中，可作為優(yōu)先級使 用。這兩點(diǎn)是管道以及有名管道所不能比的。同樣，消息隊列可以在幾個進(jìn)程間復(fù)用，而不管這幾個進(jìn)程是否具有親緣關(guān)系，這一點(diǎn)與有名管道很相似；但消息隊列 是隨內(nèi)核持續(xù)的，與有名管道（隨進(jìn)程持續(xù)）相比，生命力更強(qiáng)，應(yīng)用空間更大。

附錄 1：在參考文獻(xiàn)[1]中，給出了IPC隨進(jìn)程持續(xù)、隨內(nèi)核持續(xù)以及隨文件系統(tǒng)持續(xù)的定義：

1. 隨進(jìn)程持續(xù)：IPC一直存在到打開IPC對象的最后一個進(jìn)程關(guān)閉該對象為止。如管道和有名管道；
2. 隨內(nèi)核持續(xù)：IPC一直持續(xù)到內(nèi)核重新自舉或者顯示刪除該對象為止。如消息隊列、信號燈以及共享內(nèi)存等；
3. 隨文件系統(tǒng)持續(xù)：IPC一直持續(xù)到顯示刪除該對象為止。

附錄 2：
結(jié)構(gòu)msg_queue用來描述消息隊列頭，存在于系統(tǒng)空間：

struct msg_queue {
    struct kern_ipc_perm q_perm;
    time_t q_stime;         /* last msgsnd time */
    time_t q_rtime;         /* last msgrcv time */
    time_t q_ctime;         /* last change time */
    unsigned long q_cbytes;     /* current number of bytes on queue */
    unsigned long q_qnum;       /* number of messages in queue */
    unsigned long q_qbytes;     /* max number of bytes on queue */
    pid_t q_lspid;          /* pid of last msgsnd */
    pid_t q_lrpid;          /* last receive pid */
    struct list_head q_messages;
    struct list_head q_receivers;
    struct list_head q_senders;
};

結(jié)構(gòu)msqid_ds用來設(shè)置或返回消息隊列的信息，存在于用戶空間；

struct msqid_ds {
    struct ipc_perm msg_perm;
    struct msg *msg_first;      /* first message on queue,unused  */
    struct msg *msg_last;       /* last message in queue,unused */
    __kernel_time_t msg_stime;  /* last msgsnd time */
    __kernel_time_t msg_rtime;  /* last msgrcv time */
    __kernel_time_t msg_ctime;  /* last change time */
    unsigned long  msg_lcbytes; /* Reuse junk fields for 32 bit */
    unsigned long  msg_lqbytes; /* ditto */
    unsigned short msg_cbytes;  /* current number of bytes on queue */
    unsigned short msg_qnum;    /* number of messages in queue */
    unsigned short msg_qbytes;  /* max number of bytes on queue */
    __kernel_ipc_pid_t msg_lspid;   /* pid of last msgsnd */
    __kernel_ipc_pid_t msg_lrpid;   /* last receive pid */
};

附錄 3：消息隊列實(shí)例輸出結(jié)果：

current number of bytes on queue is 0
number of messages in queue is 0
max number of bytes on queue is 16384
pid of last msgsnd is 0
pid of last msgrcv is 0
last msgsnd time is Thu Jan  1 08:00:00 1970
last msgrcv time is Thu Jan  1 08:00:00 1970
last change time is Sun Dec 29 18:28:20 2002
msg uid is 0
msg gid is 0
//上面剛剛創(chuàng)建一個新消息隊列時的輸出
current number of bytes on queue is 1
number of messages in queue is 1
max number of bytes on queue is 16384
pid of last msgsnd is 2510
pid of last msgrcv is 0
last msgsnd time is Sun Dec 29 18:28:21 2002
last msgrcv time is Thu Jan  1 08:00:00 1970
last change time is Sun Dec 29 18:28:20 2002
msg uid is 0
msg gid is 0
read from msg queue 1 bytes
//實(shí)際讀出的字節(jié)數(shù)
current number of bytes on queue is 0
number of messages in queue is 0
max number of bytes on queue is 16384   //每個消息隊列最大容量（字節(jié)數(shù)）
pid of last msgsnd is 2510
pid of last msgrcv is 2510
last msgsnd time is Sun Dec 29 18:28:21 2002
last msgrcv time is Sun Dec 29 18:28:22 2002
last change time is Sun Dec 29 18:28:20 2002
msg uid is 0
msg gid is 0
current number of bytes on queue is 0
number of messages in queue is 0
max number of bytes on queue is 16388   //可看出超級用戶可修改消息隊列最大容量
pid of last msgsnd is 2510
pid of last msgrcv is 2510  //對操作消息隊列進(jìn)程的跟蹤
last msgsnd time is Sun Dec 29 18:28:21 2002
last msgrcv time is Sun Dec 29 18:28:22 2002
last change time is Sun Dec 29 18:28:23 2002    //msgctl()調(diào)用對msg_ctime有影響
msg uid is 8
msg gid is 8

參考文獻(xiàn)：

• UNIX網(wǎng)絡(luò)編程第二卷：進(jìn)程間通信，作者：W.Richard Stevens，譯者：楊繼張，清華大學(xué)出版社。對POSIX以及系統(tǒng)V消息隊列都有闡述，對Linux環(huán)境下的程序開發(fā)有極大的啟發(fā)意義。
• linux內(nèi)核源代碼情景分析（上），毛德操、胡希明著，浙江大學(xué)出版社，給出了系統(tǒng)V消息隊列相關(guān)的源代碼分析。
• http://www.fanqiang.com/a4/b2/20010508/113315.html，主要闡述linux下對文件的操作，詳細(xì)介紹了對文件的存取權(quán)限位，對IPC對象的存取權(quán)限同樣具有很好的借鑒意義。
• msgget、msgsnd、msgrcv、msgctl手冊