进程间通信（二）——Posix消息队列

1.概述

消息队列可认为是消息链表。有足够写权限的线程可以往队列中放置消息，有足够读权限的进程可以从队列中取走消息。每个消息是一个记录，由发送着赋予一个优先级。

在向队列中写入消息时，不需要某个进程在该队列上等待消息到达。这与管道不同，管道必须现有读再有写。

消息队列具有随内核的持续性，与管道不同。进程结束后，消息队列中消息不会消失。当管道最后一次关闭，其中的数据将丢弃。

消息队列具有名字，可用于非亲缘关系的进程间。

Posix消息队列读总是返回最高优先级的最早消息，而System V消息队列的读可以返回任意优先级的。

往空消息队列中放置消息，Posix消息队列会产生一个信号或启动一个线程。而System V不提供这个功能。

2.消息队列相关函数

2.1. 创建，关闭，删除

#include <mqueue.h>

mqd_t mq_open(const char *name, int oflag, …

/* mode_t mode, struct mq_qttr *attr */);

返回：成功：消息队列描述符出错：-1

用于创建一个新的或者打开一个已存在的消息队列。

oflag是O_RDONLY, O_WRONLY或O_RDWR之一，可能按位或上O_CREAT， O_EXCL或O_NONBLOCK。

创建新队列时，mode和attr是必须的。attr=NULL使用默认属性

mq_open返回的消息队列描述符，它不必是像普通描述符那么样的短整形（很可能不是）。

int mq_close(mqd_t mqdes)；

关闭已打开的消息队列。调用进程不能在使用这个描述符了，但是消息队列没有从系统中删除。

进程终止时，所有打开者的消息队列都关闭，就像调用mq_close();

从系统中删除name

int mq_unlink(const char *name);

成功：0；出错：-1；

消息队列保存着当前打开着的文件的引用计数，mq_unlink会删除name，但是消息队列的删除要到最后一个mq_close()发生为止。

消息队列至少具有随内核的持续性。当没有进程打开某个消息队列时，该队列的消息仍然存在，直到mq_unlink并让应用计数为0才删除该队列。

2.2. 消息队列属性

#include <mqueue.h>

int mq_getattr(mqd_t mqdes, struct mq_attr *attr);

int mq_setattr(mqd_t mqdes, const struct mq_attr *attr, struct mq_attr *oattr);

成功：0；失败：-1；

struct mq_attr {

long mq_flags; //message queue flag: 0, O_NONBLOCK

long mq_maxmsg; //max number of message allowed on queue

long mq_msgsize; //max size of a message (in bytes)

long mq_curmsgs; //number of message currlently on queue
}

创建新队列时，可以指定mq_maxmsg和mq_msgsize属性，但是mq_open会忽略另外两个参数。

mq_setattr设置队列属性时，只使用mq_flags用于设置或着清除非阻塞标志，另两个忽略。

消息大小和数目只能在创建队列时指定。

2.3. 接受和发送

#include <mqueue.h>

int mq_send(mqd_t mqdes, const char *ptr, size_t len, unsigned int prio);

成功：0；出错： -1；

ssize_t mq_receive(mqd_t mqdes, char *ptr, size_t len, unsigned int *prio);

成功：消息中字节数；出错： -1；

用于向队列中放置消息和从队列中取出消息。

mq_receive中len不能小于mq_msgsize，否则会返回EMSGSIZE。

prio为消息优先级，必须小于MQ_PRIO_MAX。

若不需要使用优先级不同的消息，指定mq_send为0优先级，mq_receive优先级为NULL。

3. 异步事件通知

Posix消息队列允许异步消息通知，即当有一个消息放到某个空消息队列中，会产生某种通知：

（1）产生一个信号

（2）创建一个线程执行指定函数

#include <mqueue.h>

int mq_notify(mqd_t mqdes, const struct sigevent *notification);

成功： 0；出错：-1；

#include <signal.h>

union sigval {

int sival_int;

int *sival_ptr;
}

struct sigevent {

int sigev_notify; //通知方式：SIGEV_{NONE, SIGNAL, THREAD}

int sigev_signo; //signal number if SIGEV_SIGNAL

union sigval sigev_value;//传递给信号或者线程的参数

void (*sigev_notify_function)(union sigval);

pthread_attr_t *sigev_notify_attrbutes;
}

在接受到通知之后，会被复位成默认行为，因此必须再注册。

在队列变空前不会再接受到通知，要保证在读出消息之前重新注册。否则在消息变为空后再注册，这段时间内可能又有消息放到队列中造成不会再通知。

4.通知的处理方式

4.1. 信号通知

不可以简单的在信号处理程序中调用mq_receive, 因为它不是异步信号安全函数(可以从信号处理程序中调用的函数)。一般只有sem_pos,read,write是信号安全的。

也不可以简单使用mq_receive接受消息，因为这只能接受到一个消息，其他的消息可能永远不会被取出，应该总是使用非阻塞方式读数据。

程序处理方式：

方法1：使用sigsuspend（）等待信号的发生，通过在信号处理程序中设置全局变量，被信号唤醒后再处理数据。

方法2：由于消息队列描述符不是普通描述符，不可以直接使用select。通过管道和在信号处理程序中调用write唤醒select的方式。

方法3：通过sigwait（）函数等待某个信号发生，然后再处理，类似于select。这是最好的方式。

#include <signal.h>

int sigwait(const sigset_t *set, int *sig);

成功：0；出错：正的EXXX值。

函数阻塞到set中某个信号发生，sig返回信号值。

这叫做“同步地等待一个异步信号”，使用信号却没有涉及异步信号处理。

此函数往往在多线程话程序中使用，有EXXX错误。在多线程话程序中不能使用sigprocmask,要使用pthread_sigmask。

代码示例：接受进程

#include "unp.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    //消息队列有名字
    //注意Linux和SUN下，
    //不能打开/tmp/myqueue.1等文件，会出现权限不够
    //注意非阻塞，消息队列都是非阻塞使用
    //NULL：使用默认属性，消息数，消息大小。
    Mq_unlink("/mymqueue");
    mqd_t mqd = Mq_open("/mymqueue", O_RDWR | O_CREAT | O_NONBLOCK, FILE_MODE, NULL);
    
    //获取队列大小，buff不能小于消息最大大小
    struct mq_attr attr;
    Mq_getattr(mqd, &attr);
    char *buff = (char*)Malloc(attr.mq_msgsize);
    printf("msgsize : %d
", attr.mq_msgsize);

    //sigwait前要阻塞信号
    sigset_t newmask;
    Sigemptyset(&newmask);
    Sigaddset(&newmask, SIGUSR1);
    Sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, NULL);

    //信号异步处理
    //当队列中有信息时产生相应信号
    //注册相关信息
    struct sigevent sigev;
    sigev.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;
    sigev.sigev_signo = SIGUSR1;
    Mq_notify(mqd, &sigev);

    for ( ; ; ) {
        int signo;
        //等待信号集中某个信号发生
        Sigwait(&newmask, &signo);
        if (signo == SIGUSR1) {
            //接受前先注册
            Mq_notify(mqd, &sigev);
            ssize_t n;
            while ((n = mq_receive(mqd, buff, attr.mq_msgsize, NULL)) >= 0) {
                printf("read %ld bytes
", n);
            }
            if (errno != EAGAIN) {
                err_sys("mq_reveive() failed");
            }
        }
    }

    exit(0);
}

发送进程源码：

#include "unp.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    int prio = 0;
    if (argc < 2 || argc > 3) {
        err_quit("Usage: a.out <#bytes> [priority]");
    } else if (argc == 3) {
        prio = atoi(argv[2]);
    } 
    int len = atoi(argv[1]);

    mqd_t mqd =  Mq_open("/mymqueue", O_WRONLY);

    char *ptr = (char*)Calloc(len, sizeof(char));
    Mq_send(mqd, ptr, len, prio);

    exit(0);
}

4.2线程处理方式，这是最好的

注意sigev的设置。

示例：

#include "unp.h"

//用于在线程中接受
mqd_t mqd;
//用于获取队列大小
struct mq_attr attr;
//用于重新注册
struct sigevent sigev;

static void notify_thread(union sigval arg);

int main(int argc, char **argv)
{
    //消息队列有名字
    //最好创建前把名字删了，防止有已存在
    Mq_unlink("/mymqueue");
    mqd = Mq_open("/mymqueue", O_RDWR | O_CREAT | O_NONBLOCK, FILE_MODE, NULL);
    Mq_getattr(mqd, &attr);

    //线程异步处理
    sigev.sigev_notify = SIGEV_THREAD;
    sigev.sigev_value.sival_ptr = NULL;    //传给线程处理函数的参数
    sigev.sigev_notify_function = notify_thread;
    sigev.sigev_notify_attributes = NULL;   //默认属性
    Mq_notify(mqd, &sigev);

    for ( ; ; ) {
        pause();
    }

    exit(0);
}

static void notify_thread(union sigval arg)
{
    printf("notify_thread started
");
    char *buff = (char*)Malloc(attr.mq_msgsize);
    //接受前重新注册
    Mq_notify(mqd, &sigev);

    ssize_t n;
    while ((n = mq_receive(mqd, buff, attr.mq_msgsize, NULL)) >= 0) {
        printf("read %ld bytes
", n);
    }
    if (errno != EAGAIN) {
        err_sys("mq_reveive error");
    }

    free(buff);
    pthread_exit(NULL);
}