MK
摩柯社区 - 一个极简的技术知识社区
AI 面试

Linux C语言消息队列的消息格式

2023-07-106.9k 阅读

消息队列基础概念

在Linux系统中，消息队列是进程间通信（IPC, Inter - Process Communication）的一种方式。它允许不同的进程通过发送和接收消息来进行通信。消息队列是一个在系统内核中维护的消息链表，每个消息都有一个特定的类型，接收进程可以根据消息类型有选择地接收消息。

消息队列提供了一种异步通信机制，发送进程可以在任何时候将消息发送到消息队列，而接收进程可以在方便的时候从队列中读取消息。这与管道（pipe）等其他IPC机制不同，管道通常是基于数据流的、同步的通信方式。消息队列的使用场景非常广泛，比如在一个复杂的系统中，不同模块之间需要进行松散耦合的通信，消息队列就可以很好地满足这种需求。

Linux下消息队列相关系统调用

  1. msgget函数：用于创建一个新的消息队列或者获取一个已有的消息队列标识符。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgget(key_t key, int msgflg);
  • key：是一个键值，用于唯一标识一个消息队列。通常可以使用ftok函数生成。ftok函数通过一个路径名和一个项目ID生成一个键值。
  • msgflg：可以指定一些标志位，如IPC_CREAT表示如果消息队列不存在则创建，如果存在则获取；IPC_EXCL与IPC_CREAT一起使用，表示如果消息队列已存在则返回错误。
  1. msgsnd函数：用于向消息队列发送一条消息。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
  • msqid：是消息队列的标识符，由msgget函数返回。
  • msgp：是一个指向要发送消息结构的指针。消息结构必须以一个long类型的成员开始，用于指定消息的类型。
  • msgsz：是消息正文的长度，不包括消息类型的长度。
  • msgflg：可以指定一些标志位，如IPC_NOWAIT表示如果消息队列已满，不等待直接返回错误。
  1. msgrcv函数：用于从消息队列接收一条消息。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);
  • msqid：消息队列标识符。
  • msgp：指向接收消息结构的指针。
  • msgsz：指定接收消息正文的最大长度。
  • msgtyp：指定要接收的消息类型。如果为0，则接收队列中的第一条消息；如果大于0，则接收类型等于msgtyp的第一条消息；如果小于0，则接收类型小于或等于msgtyp绝对值的消息中类型最小的消息。
  • msgflg：可以指定IPC_NOWAIT等标志位。
  1. msgctl函数：用于控制消息队列，如删除消息队列、获取或设置消息队列的属性等。
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
  • msqid：消息队列标识符。
  • cmd：指定控制命令，如IPC_RMID用于删除消息队列，IPC_SET用于设置消息队列属性，IPC_STAT用于获取消息队列属性。
  • buf：是一个指向msqid_ds结构的指针，用于传递或接收消息队列的属性信息。

Linux C语言消息队列的消息格式设计

在使用Linux C语言进行消息队列编程时，消息格式的设计非常关键。消息格式直接影响到消息的发送、接收以及处理的效率和正确性。

  1. 基本消息格式
    • 消息结构通常需要以一个long类型的成员开始，用于指定消息类型。这是Linux消息队列机制的要求，接收进程可以根据这个消息类型来有选择地接收消息。
    • 示例代码如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

#define MSG_SIZE 100

// 定义消息结构
typedef struct msgbuf {
    long mtype;
    char mtext[MSG_SIZE];
} message_buf;

在上述代码中，msgbuf结构以mtype（long类型）作为第一个成员，用于指定消息类型，后面跟着mtext数组用于存储消息正文。

  1. 复杂消息格式
    • 对于一些复杂的应用场景，消息结构可能需要包含更多的信息。例如，除了消息类型和正文，还可能需要包含时间戳、发送者ID、接收者ID等信息。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <time.h>

#define MSG_SIZE 100

// 定义消息结构
typedef struct msgbuf {
    long mtype;
    time_t timestamp;
    pid_t sender_pid;
    pid_t receiver_pid;
    char mtext[MSG_SIZE];
} message_buf;

在这个扩展的消息结构中，timestamp记录消息的发送时间，sender_pid和receiver_pid分别表示发送者和接收者的进程ID。这种格式在分布式系统或者需要跟踪消息来源和去向的场景中非常有用。

  1. 消息格式的灵活性
    • 有时候，我们可能需要在消息中传递不同类型的数据。例如，一个消息可能需要传递一个整数，另一个消息可能需要传递一个字符串。为了实现这种灵活性，可以使用联合体（union）来设计消息格式。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

#define MSG_SIZE 100

// 定义消息数据联合体
typedef union msg_data {
    int int_value;
    char string_value[MSG_SIZE];
} msg_data;

// 定义消息结构
typedef struct msgbuf {
    long mtype;
    msg_data data;
} message_buf;

在上述代码中，msg_data联合体可以存储整数或者字符串。这样，发送者可以根据实际需求选择在消息中传递整数还是字符串，接收者则根据消息类型来正确解析数据。

消息格式与消息队列操作的结合

  1. 发送消息
    • 以基本消息格式为例，发送消息的代码如下：
int main() {
    key_t key;
    int msgid;
    message_buf msg;

    // 生成键值
    key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 创建消息队列
    msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget");
        return 1;
    }

    // 设置消息类型和正文
    msg.mtype = 1;
    strcpy(msg.mtext, "Hello, message queue!");

    // 发送消息
    if (msgsnd(msgid, &msg, strlen(msg.mtext), 0) == -1) {
        perror("msgsnd");
        return 1;
    }

    printf("Message sent successfully.\n");
    return 0;
}

在这段代码中，首先使用ftok生成键值，然后通过msgget创建消息队列。接着设置消息的类型和正文，并使用msgsnd将消息发送到消息队列。

  1. 接收消息
    • 同样以基本消息格式为例，接收消息的代码如下：
int main() {
    key_t key;
    int msgid;
    message_buf msg;

    // 生成键值
    key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 获取消息队列
    msgid = msgget(key, 0666);
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget");
        return 1;
    }

    // 接收消息
    if (msgrcv(msgid, &msg, MSG_SIZE, 1, 0) == -1) {
        perror("msgrcv");
        return 1;
    }

    printf("Received message: %s\n", msg.mtext);
    return 0;
}

这里通过ftok生成与发送端相同的键值，使用msgget获取消息队列。然后使用msgrcv接收类型为1的消息，并打印消息正文。

  1. 处理复杂消息格式
    • 对于包含时间戳、发送者ID和接收者ID的复杂消息格式，发送端代码如下：
int main() {
    key_t key;
    int msgid;
    message_buf msg;

    // 生成键值
    key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 创建消息队列
    msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget");
        return 1;
    }

    // 设置消息类型、时间戳、发送者ID和正文
    msg.mtype = 1;
    msg.timestamp = time(NULL);
    msg.sender_pid = getpid();
    strcpy(msg.mtext, "Complex message example");

    // 发送消息
    if (msgsnd(msgid, &msg, sizeof(msg) - sizeof(long), 0) == -1) {
        perror("msgsnd");
        return 1;
    }

    printf("Complex message sent successfully.\n");
    return 0;
}

接收端代码如下：

int main() {
    key_t key;
    int msgid;
    message_buf msg;

    // 生成键值
    key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 获取消息队列
    msgid = msgget(key, 0666);
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget");
        return 1;
    }

    // 接收消息
    if (msgrcv(msgid, &msg, sizeof(msg) - sizeof(long), 1, 0) == -1) {
        perror("msgrcv");
        return 1;
    }

    struct tm *tm_info;
    tm_info = localtime(&msg.timestamp);
    char time_str[26];
    strftime(time_str, 26, "%Y-%m-%d %H:%M:%S", tm_info);

    printf("Received complex message:\n");
    printf("  Timestamp: %s\n", time_str);
    printf("  Sender PID: %d\n", msg.sender_pid);
    printf("  Message: %s\n", msg.mtext);
    return 0;
}

在这个例子中，发送端设置了复杂消息格式的各个字段并发送消息。接收端接收到消息后，解析时间戳并打印出消息的各个字段。

  1. 处理灵活消息格式（联合体）
    • 发送端代码，发送整数类型的消息：
int main() {
    key_t key;
    int msgid;
    message_buf msg;

    // 生成键值
    key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 创建消息队列
    msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget");
        return 1;
    }

    // 设置消息类型和整数数据
    msg.mtype = 1;
    msg.data.int_value = 42;

    // 发送消息
    if (msgsnd(msgid, &msg, sizeof(int), 0) == -1) {
        perror("msgsnd");
        return 1;
    }

    printf("Integer message sent successfully.\n");
    return 0;
}

接收端代码，接收并解析整数类型的消息：

int main() {
    key_t key;
    int msgid;
    message_buf msg;

    // 生成键值
    key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 获取消息队列
    msgid = msgget(key, 0666);
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget");
        return 1;
    }

    // 接收消息
    if (msgrcv(msgid, &msg, sizeof(int), 1, 0) == -1) {
        perror("msgrcv");
        return 1;
    }

    printf("Received integer: %d\n", msg.data.int_value);
    return 0;
}

如果发送字符串类型的消息，发送端代码如下：

int main() {
    key_t key;
    int msgid;
    message_buf msg;

    // 生成键值
    key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 创建消息队列
    msgid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget");
        return 1;
    }

    // 设置消息类型和字符串数据
    msg.mtype = 1;
    strcpy(msg.data.string_value, "Hello with union");

    // 发送消息
    if (msgsnd(msgid, &msg, strlen(msg.data.string_value), 0) == -1) {
        perror("msgsnd");
        return 1;
    }

    printf("String message sent successfully.\n");
    return 0;
}

接收端代码如下：

int main() {
    key_t key;
    int msgid;
    message_buf msg;

    // 生成键值
    key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 获取消息队列
    msgid = msgget(key, 0666);
    if (msgid == -1) {
        perror("msgget");
        return 1;
    }

    // 接收消息
    if (msgrcv(msgid, &msg, MSG_SIZE, 1, 0) == -1) {
        perror("msgrcv");
        return 1;
    }

    printf("Received string: %s\n", msg.data.string_value);
    return 0;
}

消息格式设计的注意事项

  1. 消息类型的合理使用

    • 消息类型是消息队列接收消息的重要依据。在设计消息类型时，要确保其能够清晰地区分不同类型的消息。例如，在一个网络服务器应用中，可以将消息类型定义为：1表示客户端连接请求，2表示客户端数据传输，3表示客户端断开连接等。这样接收端可以根据不同的消息类型进行相应的处理。
    • 同时，要注意消息类型的取值范围。消息类型是long类型，但在实际使用中，要避免使用可能导致歧义的值。例如，尽量不要使用0作为普通消息类型，因为在msgrcv中，0有特殊含义（接收队列中的第一条消息）。

  2. 消息长度的控制

    • 在定义消息结构时，要合理设置消息正文的长度。如果消息正文长度设置过小，可能无法满足实际需求；如果设置过大，则会浪费内存空间。例如，对于一些简单的文本消息，可以根据经验设置一个合适的长度，如100字节对于一般的短消息可能就足够了。
    • 在发送和接收消息时，要注意实际发送和接收的长度。msgsnd的msgsz参数和msgrcv的msgsz参数要设置正确，避免数据截断或者接收不完整的情况。

  3. 数据对齐和内存布局

    • 在定义复杂消息结构时，要注意数据对齐的问题。不同的编译器和硬件平台可能对数据对齐有不同的要求。例如，在某些平台上，int类型可能需要4字节对齐。如果消息结构中的成员没有正确对齐，可能会导致在发送和接收消息时出现数据错误。
    • 可以使用#pragma pack等预处理指令来控制数据对齐。例如，#pragma pack(1)可以强制按1字节对齐，这样可以避免因对齐问题导致的消息格式错误。

  4. 兼容性和可扩展性

    • 消息格式的设计要考虑到兼容性和可扩展性。如果系统可能会进行升级或者与其他系统进行交互，消息格式应该能够适应这些变化。例如，可以在消息结构中预留一些字段，以备将来扩展使用。同时，在添加新的消息类型或者修改消息结构时，要确保旧版本的代码仍然能够正确处理消息（至少能够识别并忽略不认识的部分）。

  5. 安全性

    • 要注意消息内容的安全性。避免在消息中传递敏感信息，如密码等。如果必须传递敏感信息，要对其进行加密处理。另外，在接收消息时，要对消息内容进行验证，防止恶意数据的注入，例如防止缓冲区溢出攻击。可以对接收的消息长度和内容进行合法性检查，确保程序的安全性。

通过合理设计消息格式，并结合Linux消息队列的系统调用，能够实现高效、可靠的进程间通信。在实际应用中，要根据具体的需求和场景，综合考虑上述各个方面，设计出最优的消息队列消息格式。同时，要不断进行测试和优化，确保消息传递的正确性和稳定性。