系統程式設計——IPC訊息佇列

藍桉未遇釋槐鳥發表於2024-06-02

程序間通訊方式（IPC）

程序間通訊（Inter process communication，簡稱IPC）指的是程序之間的資訊交換，程序間通訊的方式有很多，比如管道通訊、訊號通訊、共享記憶體、訊息佇列、訊號量組、POSIX訊號量等。

程序間通訊可以達到資料傳輸、共享資源、控制程序等目的，方便使用者對程序進行控制和管理。

當然，Linux系統中這麼多種程序間的通訊方式並不是一同出現的，而是在不同時期被設計出來，Linux系統屬於類Unix系統，所以Linux系統繼承了很多Unix系統的設計，比如Unix系統的System-V版本中就引入了三種程序間通訊方式，分別是訊息佇列、共享記憶體、訊號量組。這三種通訊方式也被稱為System-V IPC物件。

訊息佇列的概念

Linux系統中訊息佇列（Message Queue）是程序間通訊的一種方式，這種通訊機制的好處是可以傳輸指定型別(使用者可以自行定義)的資料，相同型別的資料根據到達順序在佇列中進行排隊。
不同型別的資料不能處於同一個佇列中，也就是說系統中可能存在多個訊息佇列，每個訊息佇列中的資料型別都是不同的，所以使用者打算讀取訊息佇列中的資料時也需要指定資料型別，才可以從儲存該型別資料的訊息佇列中讀取有效資料。

如何指定某個訊息佇列進行訊息傳輸？

Linux系統下每個被建立的訊息佇列都具有獨屬於自己的一個Key值，程序可以透過指定訊息佇列的Key值來選擇訊息佇列進行資料傳輸。
可透過shell命令：ipcs -a來檢視系統下所有IPC物件的資訊

訊息佇列的建立

使用者可透過Linux系統提供的msgget()函式介面開啟或者建立一個訊息佇列。

第一個引數需要傳入一個key_t的值，也就是對應的要建立的訊息佇列的key值（使用者可透過ftok函式自行指定key值）
第二個引數需要指定訊息佇列的標誌/許可權，IPC_CREAT為訊息佇列不存在則建立，IPC_EXCL為訊息佇列存在則函式呼叫失敗，用9位元組進行許可權設定（參考open函式的made型別）
成功返回訊息佇列的識別符號，失敗則返回-1並設定錯誤碼

shell命令ipcmk也可用於建立IPC物件

訊息佇列的資料收發

Linux系統中提供了msgsnd()的函式介面，使用者利用該函式可以向指定的訊息佇列傳送資訊。
msgrcv()用於資料讀取，使用者利用該函式可以向指定的訊息佇列讀取資訊

資料傳送——msgsnd()

第一個引數msgid指訊息佇列的識別符號，透過msgget函式返回
第二個引數msgp指向struct msgbuf型別的結構體指標，mtype指訊息型別，mtext指訊息正文
第三個引數msgsz指訊息正文的大小。該值必須為非負整數
第四個引數msgflg指訊息佇列的標誌。IPC_NOWAIT不阻塞，此時當待寫入資訊大於訊息佇列長度時，函式直接返回並報錯。預設阻塞情況下，會阻塞到訊息佇列的容量足夠容納待寫入資料時解除阻塞。

資料接收——msgrcv()

第一個引數msgid指訊息佇列的識別符號，透過msgget函式返回
第二個引數msgp指存放訊息的快取地址，該地址下儲存的是struct msgbuf型別結構體
第三個引數msgsz指的是存放訊息的快取的大小，按照位元組計算，如果訊息正文的大小大於使用者設定的快取大小，則根據msgflg是否為MSG_NOERROR進行判斷，如果msgflg設定為MSG_NOERROR ，則可以讀取對應位元組的訊息，如果msgflg沒有設定，則無法讀取訊息並報錯。
第四個引數：msgtyp指的是要接收訊息的型別，在呼叫msgsnd函式時構造的訊息結構體中有該成員的值。
- 等於0：不區分型別返回MSG中的第一個訊息
- 大於0：讀取型別為指定msgtyp的第一個訊息（若msgflg被配置了MSG_EXCEPT則讀取除了型別為msgtyp以外的第一個訊息）
- 小於0：讀取型別小於等於msgtyp絕對值的第一個具有最小型別的訊息。（例如當MSG物件中有型別為3、1、5型別訊息若干條，當msgtyp為-3時，型別為3的第一個訊息將被讀取。）
第五個引數：msgflg指的是接收訊息選項，如果msgflg設定為0，指的是預設接收模式，在MSG中無指定型別訊息時阻塞。
- IPC_NOWAIT：非阻塞接收模式，當MSG中沒有指定型別時直接退出函式。
- MSG_EXCEPT：讀取除msgtyp以外的第一個訊息
- MSG_NOERROR：若待讀取的訊息尺寸比msgsz大，則只返回msgsz大小的部分，其餘部分丟棄