进程的消息通信、消息队列

悠悠 2022-04-23 17:08 414阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1. 代码详解
 *   *  1.1清楚两个概念
     *  1.2 消息队列通信过程（五步）
     *   *  1 生成一个键值
         *  2 创建或者打开一个消息队列
         *  3 将数据放到消息队队列中
         *  4 从消息队列中读数据
         *  5 消息队列操作

实验 进程间通信

一、实验目的：  
Linux系统的进程通信机构（IPC）允许在任意进程间大批量的交换数据。本实验的目的是了解和熟悉Linux支持的通信机制、共享存储区机制及信号量机制。

二、实验预备内容：  
阅读Linux系统的msg.c sem.c shm.c等源码文件，熟悉Linux的三种通信机制。

三、实验内容：

1.  消息的创建，发送和接收
2.  使用系统调用msgget()，msgsnd()，msgrev()及msgctl()编制一长度为1k的消息发送和接收程序。

<程序设计>

1.  为了便于操作和观察结果，用一个程序作为“引子”，先后fork（）两个子进程，SERVER和CLIENT，进行通信。
2.  SERVER端建立一个Key为75的消息队列，等待其他进程发来的消息。当遇到类型为1的消息，则作为结束信号，取消该队列，并退出SERVER。SERVER每接收到一个消息后显示一句“（server）received”。
3.  CLIENT端使用Key为75的消息队列，先后发送类型从10到1的消息，然后退出。最后一个消息，即是SERVER端需要的结束信号。CLIENT每发送一条信息后显示一句“（client）sent”。
4.  父进程在SERVER和CLENT均退出后结束。

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/msg.h>
    #include <sys/ipc.h>
    
    #define MSGKEY 75 
    
    struct msgform
    {  
      long mtype;  
      char mtext[1030];
    }msg;
    
    int msgqid,i;
    
    void CLIENT()
    {  
       int i;
       
       msgqid=msgget(MSGKEY,0777);
       
       for (i=10;i>=1;i--)
       {      
         msg.mtype=i;
         printf("(client)sent \n");
         msgsnd(msgqid,&msg,1024,0);  /*发送消息msg入msgid消息队列*/
       }
       
       exit(0);
    }
    void SERVER()
    { 
      msgqid=msgget(MSGKEY,0777|IPC_CREAT);  /*由关键字获得消息队列*/
      
      do
      { 
        msgrcv(msgqid,&msg,1030,0,0);   /*从msgid消息队列接收消息msg*/
        printf("(server)received \n");
      }while(msg.mtype!=1);             /*消息类型为1时，释放队列*/
      
      msgctl(msgqid,IPC_RMID,0);
      
      exit(0);
    }
    void main()
    { 
       while((i=fork())==-1);//创建子进程
       if(!i) SERVER();//若子进程创建成功(i = 0)，在子进程中运行SERVER
       
       while((i=fork())==-1);//创建子进程
       if(!i) CLIENT();//若子进程创建成功(i = 0)，在子进程中运行CLIENT
       
       wait(0);//等待子进程结束
       wait(0);//等待子进程结束
    }

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# 1. 代码详解 #

## 1.1清楚两个概念 ##

1.  IPC（Inter-Process Communication）：进程间通信，是指两个或两个以上进程间相互通信，交换信息。
2.  消息队列：消息队列是随着内核的存在而存在的，每个消息队列在系统范围内对应唯一的键值，这个键的数据类型为key\_t，通常在头文件<sys/type.h>中被定义为长整型，键值由内核转换为标识。内核中的消息队列是通过IPC的标识符来区别的，不同的消队列之间是相互独立的。要获得一个消息队列的描述符，只需要提供该消息队列的键值即可，该键值可以在公共头文件定义，也可以用ftok函数生成键值。

## 1.2 消息队列通信过程（五步） ##

### 1 生成一个键值 ###

include <sys/msg.h>
     key_t ftok(const char *path, int id);   //成功返回键值 出错返回-1

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>path</th> 
   <th>id</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>must refer to an existing, accessible file，在系统中一定要存在，且进程有访问权限</td> 
   <td>取值范围为1-255</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

--------------------

### 2 创建或者打开一个消息队列 ###

include <sys/msg.h>
     int msgqid = msgget(key_t key, int flag);

*  该函数如果调用成功返回一个消息队列的描述符，否则返回-1
 *  参数key即为ftok函数的返回值。flag是一个标志参数

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <th colspan="2"> flag取值</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>IPC_CREATE </td> 
   <td>表示创建一个新的IPC对象或者打开已有的IPC对象</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> IPC_EXCL</td> 
   <td>单独使用返回-1，没有什么实际意义</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>IPC_CREAT | IPC_EXCL</td> 
   <td> 组合使用，用于创建一个新的IPC对象，如果键值对应的IPC对象已经存在则报错</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

--------------------

### 3 将数据放到消息队队列中 ###

include <sys/msg.h>
    int msgsnd(int msqid, const void *ptr, size_t msgsz, int msgflg); 
    /*成功则返回0, 出错则返回-1*/

**发送成功内核会更新与消息队列相关联的msqid\_ds结构，指示调用者的进程ID以及调用时间，并且消息数加1。**

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <th colspan="2">常见错误码</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>EAGAIN</td> 
   <td>说明消息队列已满</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>EIDRM</td> 
   <td>单独使用返回-1，没有什么实际意义说明消息队列已被删除</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>EACCES</td> 
   <td> 说明无权访问消息队列</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>msgid </td> 
   <td>函数向msgid标识的消息队列发送一个消息</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> ptr</td> 
   <td>指向发送的消息</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>msgsz</td> 
   <td> 要发送消息的大小，不包含消息类型占用的4个字节</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> msgflg</td> 
   <td>操作标识位。可以设置为0或者IPC_NOWAIT。<br>如果为0，则当消息队列已满的时候，msgsnd将会阻塞，直到消息可写进消息队列；<br>如果msgflg 为IPC_NOWAIT，当消息队列已满的时候，msgsnd函数将不等待立即返回</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

1.  ptr是指向一个长整型数，表示消息类型，紧接着是消息数据。如果消息数据长度最大512，可以定义消息结构如下：

struct mymsg
    { 
       long mytype;       /*正的长整型量，通过它来区分不同的消息数据类型*/
       char msgtext[512]; /*消息数据的内容，长度是nbytes*/
    };

通过设定mtype 值，我们可以进行单个消息队列的多向通讯。比如，client 可以给它向server 发送的信息赋于一个特定的mtype 值，而server 向client 的信息则用另一个mtype值来标志。这样，通过mtype 值就可以区分这两向不同的数据。nbytes参数是mymsg结构中msgtext的长度，不是结构体的长度

1.  msgqid\_ds 结构被系统内核用来保存消息队列对象有关数据。内核中存在的每个消息队列对象系统都保存一个msgqid\_ds 结构的数据存放该对象的各种信息。在Linux 的库文件linux/msg.h 中，它的定义是这样的：

/* one msqid structure for each queue on the system */
    
    struct msqid_ds { 
    
    struct ipc_perm msg_perm;/*保存了消息队列的存取权限以及其他一些信息 */
    
    struct msg *msg_first; /*保存了消息队列（链表）中第一个成员的地址 */
    
    struct msg *msg_last; /*保存了消息队列中最后一个成员的地址 */
    
    __kernel_time_t msg_stime; /* 保存了最近一次队列接受消息的时间 */
    
    __kernel_time_t msg_rtime; /* 保存了最近一次从队列中取出消息的时间 */
    
    __kernel_time_t msg_ctime; /* 保存了最近一次队列发生改动的时间 */
    
    struct wait_queue *wwait; /* 指向系统内部等待队列的指针 */
    
    struct wait_queue *rwait; /* 指向系统内部等待队列的指针 */
    
    unsigned short msg_cbytes; /* 保存着队列总共占用内存的字节数 */
    
    unsigned short msg_qnum; /* 保存着队列里保存的消息数目 */
    
    unsigned short msg_qbytes; /* 保存着队列所占用内存的最大字节数 */
    
    __kernel_ipc_pid_t msg_lspid; /* 保存着最近一次向队列发送消息的进程的pid */
    
    __kernel_ipc_pid_t msg_lrpid; /* 保存着最近一次从队列中取出消息的进程的pid */
    
    };

1.  ipc\_perm。系统中，每个消息队列都维护一个结构体，此结构体保存着消息队列当前状态信息。在Linux 的库文件linux/ipc.h中，它是这样定义的：

struct ipc_perm
    
    { 
    
    key_t key;//IPC 对象的关键字
    
    ushort uid; /* owner euid and egid */
    
    ushort gid;
    
    ushort cuid; /* creator euid and egid */
    
    ushort cgid;
    
    ushort mode; /* IPC 对象的存取权限 */
    
    ushort seq; /* 系统保存的IPC 对象的使用频率信息 */
    
    };

--------------------

### 4 从消息队列中读数据 ###

include <sys/msg.h>
    ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, 
    			   long msgtyp, int msgflg); 
    /*功成功则返回消息数据部分的长度, 出错则返回-1*/

读取成功内核会更新与消息队列相关联的msqid\_ds结构，指示调用者的进程ID以及调用时间，并且消息数减1

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>msgid </td> 
   <td>消息队列描述符</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> ptr</td> 
   <td>读取的消息存储到msgp指向的消息结构中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>msgsz</td> 
   <td> 消息缓冲区的大小</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> msgtype</td> 
   <td>为请求读取的消息类型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> msgflg</td> 
   <td>操作标志位。msgflg可以为IPC_NOWAIT， MSG_EXCEPT ，MSG_NOERROR，0：表示忽略</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <th colspan="2">msgtype</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>msgtype==0</td> 
   <td>读取队列中的第一个消息</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>msgtype&gt;0</td> 
   <td>获取具有相同消息类型的第一个信息</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>msgtype&lt;0</td> 
   <td> 获取类型等于或小于msgtype的绝对值的消息，如果有多个，返回类型值最小的消息</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <th colspan="2">msgflg</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>IPC_NOWAIT</td> 
   <td>如果没有满足条件的消息，调用立即返回，此时错误码为ENOMSG。<br>如果不指定这个参数，那么进程将被阻塞直到函数可以从队列中得到符合条件的消息为止。<br>如果一个client 正在等待消息的时候队列被删除，EIDRM 就会被返回如果进程在阻塞等待过程中收到了系统的中断信号，EINTR 就会被返回</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MSG_EXCEPT</td> 
   <td>与msgtype配合使用，返回队列中第一个类型不为msgtype的消息</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MSG_NOERROR</td> 
   <td> 如果队列中满足条件的消息内容大于所请求的msgsz字节，则把该消息截断，截断部分将被丢弃。<br>如果不指定这个参数，E2BIG 将被返回，而消息则留在队列中不被取出。当消息从队列内取出后，相应的消息就从队列中删除了</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

--------------------

### 5 消息队列操作 ###

include <sys/msg.h>
     int msgctl(int msgid, int cmd, struct msgid_ds *buf);

功能：查询消息队列描述符状态，或设置描述符状态，或删除描述符。成功返回0,失败返回-1

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>msgid</td> 
   <td>消息队列描述符</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>cmd</td> 
   <td> 命令类型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> buf</td> 
   <td> 消息队列头结构 msgid_ds 指针</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <th colspan="2">参数cmd</th> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>IPC_STAT</td> 
   <td>队列 id 的消息队列头结构读入 buf 中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>IPC_SET</td> 
   <td> 把 buf 所指向的信息复制到 id 的消息队列头结构中</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td> IPC_RMID</td> 
   <td> 删除 id 消息队列</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MjI1MDMwMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220224/45fb119107944399bb697d0757c92622.png