操作系统中的进程间通信：消息队列（Message Queue）

描述
消息队列是一种进程间通信（IPC）机制，允许不相关的进程通过内核维护的队列传递数据块（称为消息）。每个消息包含类型标识和具体数据，发送方和接收方通过类型选择性地处理消息，无需共享地址空间。消息队列具有异步通信、解耦性强、支持优先级等特性，适用于分布式系统或模块化应用。

核心概念

1. 队列与消息结构：

   • 内核维护一个消息队列链表，每个队列有唯一标识符（如键值或ID）。
   • 消息包含固定头部（如类型、长度）和可变数据体，类型通常为整数，用于区分消息类别。

2. 通信模式：

   • 点对点：一个进程发送，另一个进程接收。
   • 多对多：多个生产者/消费者通过类型字段实现选择性接收。

3. 生命周期：

   • 队列独立于进程存在，需显式创建和删除，避免僵尸队列。

消息队列的实现步骤

1. 创建或获取队列

• 进程调用系统调用（如Linux的msgget()）创建新队列或获取现有队列。
• 需指定键值（如IPC_PRIVATE表示新建）和权限标志（如读写权限）。
• 内核检查键值是否已关联队列：若存在则返回队列ID；否则创建新队列并初始化控制结构。

示例代码逻辑（以Linux为例）：

int msgq_id = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);  

• key：唯一标识队列的整数值（不同进程需使用相同key访问同一队列）。
• IPC_CREAT：若队列不存在则创建。
• 0666：设置读写权限。

2. 发送消息

• 进程调用msgsnd()将消息加入队列尾部。
• 步骤：
  a. 准备消息结构体（包含类型和数据缓冲区）。
  b. 内核检查队列是否已满（有大小限制）：若满则阻塞或返回错误（取决于标志位）。
  c. 将消息复制到内核空间，链接到队列末尾。
  d. 唤醒等待该队列的接收进程。

消息结构示例：

struct message {  
    long mtype;       // 消息类型（必须>0）  
    char mtext[100];  // 数据内容  
};  

3. 接收消息

• 进程调用msgrcv()从队列读取消息。
• 支持三种接收模式：
  a. 按类型精确匹配：接收指定类型的首个消息。
  b. 按优先级：接收类型最小的消息（可实现优先级队列）。
  c. 任意类型：接收队列中第一个消息。
• 步骤：
  a. 遍历队列，查找匹配类型的消息。
  b. 若未找到匹配消息，进程阻塞或立即返回（取决于标志位）。
  c. 将消息从队列移除并复制到用户空间。

4. 控制队列

• 使用msgctl()管理队列状态，例如：
  • 查询队列信息（如当前消息数）。
  • 修改队列限制（如最大字节数）。
  • 删除队列（IPC_RMID标志）。

内核内部实现要点

1. 数据结构：

   • 每个队列包含头结构（记录队列ID、权限、统计信息）和消息链表。
   • 消息节点存储类型、长度、数据指针及指向下一消息的链接。

2. 同步与互斥：

   • 内核通过自旋锁保护队列操作，防止多进程同时修改导致竞态条件。
   • 当队列空/满时，通过等待队列（wait queue）管理阻塞进程的调度。

3. 资源限制：

   • 系统限制队列数量、单条消息最大长度、队列总容量等，防止资源耗尽。

消息队列的优缺点

• 优点：
  • 解耦发送/接收进程的生命周期（异步通信）。
  • 可通过类型实现消息过滤和优先级控制。
• 缺点：
  • 数据需两次拷贝（用户空间↔内核空间），性能低于共享内存。
  • 需手动管理队列生命周期，编程复杂度较高。

应用场景

• 微服务间异步通信、日志收集系统、任务调度器等需松耦合通信的场景。