linux进程间通信--消息队列相关函数（ftok）详解

骑猪看日落 2022-06-03 03:20 310阅读 0赞

# ftok #

消息队列、信号灯、共享内存常用在Linux服务端编程的进程间通信环境中。而此三类编程函数在实际项目中都是用System V IPC函数实现的。System V IPC函数名称和说明如下表15-1所示。

表15-1 System V IPC函数

<table style="text-align:center"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> &nbsp; </td> 
 <td> 消息队列 </td> 
 <td> 信号灯 </td> 
 <td> 共享内存区 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 头文件 </td> 
 <td> &lt;sys/msg.h&gt; </td> 
 <td> &lt;sys/sem.h&gt; </td> 
 <td> &lt;sys/shm.h&gt; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 创建或打开IPC函数 </td> 
 <td> msgget </td> 
 <td> semget </td> 
 <td> shmget </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 控制IPC操作的函数 </td> 
 <td> msgctl </td> 
 <td> semctl </td> 
 <td> shmctl </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> IPC操作函数 </td> 
 <td> msgsnd msgrcv </td> 
 <td> semop </td> 
 <td> shmat shmdt </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 1.   key\_t键和ftok函数 ##

函数ftok把一个已存在的路径名和一个整数标识符转换成一个key\_t值，称为IPC键值（也称IPC key键值）。ftok函数原型及说明如下：

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;ftok（把一个已存在的路径名和一个整数标识符转换成IPC键值） </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 所需头文件 </td> 
 <td> #include &lt;sys/types.h&gt; #include &lt;sys/ipc.h&gt; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 函数说明 </td> 
 <td> 把从pathname导出的信息与id的低序8位组合成一个整数IPC键 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 函数原型 </td> 
 <td> key_t ftok(const char *pathname, int proj_id) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 函数传入值 </td> 
 <td> pathname：指定的文件，此文件必须存在且可存取 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> proj_id：计划代号（project ID） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 函数返回值 </td> 
 <td> 成功：返回key_t值（即IPC 键值） </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 出错：-1，错误原因存于error中 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 附加说明 </td> 
 <td> key_t一般为32位的int型的重定义 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

ftok的典型实现是调用stat函数，然后组合以下三个值：  
①    pathname所在的文件系统的信息（stat结构的st\_dev成员）。  
②    该文件在本文件系统内的索引节点号(stat结构的st\_ino成员)。  
③    proj\_id的低序8位（不能为0）。  
上述三个值的组合产生一个32位键。

## 2.   ftok函数代码举例 ##

ftok.c源代码如下：

#include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <sys/types.h>
 #include <sys/ipc.h>
 #include <sys/stat.h>
 #include <unistd.h>
 int main(int argc, char **argv)
 {
 struct stat stat1 ;
 if ( argc != 2 )
 {
 printf("usage: ftok < pathname >" ) ;
 exit(1) ;
 }
 stat( argv[1], &stat1 ) ;
 printf("st_dev:%lx, st_ino:%lx, key:%x\n", \
 (unsigned long)stat1.st_dev, (unsigned long)stat1.st_ino , ftok(argv[1],0x579 )) ;
 printf("st_dev:%lx, st_ino:%lx, key:%x\n", \
 (unsigned long)stat1.st_dev, (unsigned long)stat1.st_ino , ftok(argv[1],0x118 )) ;
 printf("st_dev:%lx, st_ino:%lx, key:%x\n", \
 (unsigned long)stat1.st_dev, (unsigned long)stat1.st_ino , ftok(argv[1],0x22 )) ;
 printf("st_dev:%lx, st_ino:%lx, key:%x\n", \
 (unsigned long)stat1.st_dev, (unsigned long)stat1.st_ino , ftok(argv[1],0x33 )) ;
 exit(0) ;
 }

编译 gcc ftok.c –o ftok  
运行 ./ftok /tmp，执行结果如下：

st_dev:801, st_ino:4db21, key:7901db21
    st_dev:801, st_ino:4db21, key:1801db21
    st_dev:801, st_ino:4db21, key:2201db21
    st_dev:801, st_ino:4db21, key:3301db21
    st_dev:801, st_ino:4db21, key:4401db21

从上面程序可以看出，通过ftok返回的是根据文件（pathname）信息和计划编号（proj\_id）合成的IPC key键值，从而避免用户使用key值的冲突。proj\_id值的意义让一个文件也能生成多个IPC key键值。ftok利用同一文件最多可得到IPC key键值0xff（即256）个，因为ftok只取proj\_id值二进制的后8位，即16进制的后两位与文件信息合成IPC key键值。

## 3.   IPC键值与IPC标识符 ##

### （1）key值选择方式 ###

对于key值，应用程序有如下三种选择：  
①    调用ftok，给它传递pathname和proj\_id，操作系统根据两者合成key值。  
②    指定key为IPC\_PRIVATE，内核保证创建一个新的、唯一的IPC对象，IPC标识符与内存中的标识符不会冲突。IPC\_PRIVATE为宏定义，其值等于0。  
③    指定key为大于0的常数，这需要用户自行保证生成的IPC key值不与系统中存在的冲突，而前两种是操作系统保证的。

### （2）IPC标识符 ###

给semget、msgget、shmget传入key值，它们返回的都是相应的IPC对象标识符。注意IPC键值和IPC标识符是两个概念，后者是建立在前者之上。图15-1画出了从IPC键值生成IPC标识符图，其中key为IPC键值，由ftok函数生成；ipc\_id为IPC标识符，由semget、msgget、shmget函数生成。ipc\_id在信号量函数中称为semid，在消息队列函数中称为msgid，在共享内存函数中称为shmid，它们表示的是各自IPC对象标识符。

![20171216195907916][]

图15-1 从IPC键值生成IPC标识符图

## 4. ipc\_perm结构说明 ##

系统为每一个IPC对象保存一个ipc\_perm结构体，该结构说明了IPC对象的权限和所有者，并确定了一个IPC操作是否可以访问该IPC对象。

struct ipc_perm {
         key_t   key ;          /* 此IPC对象的key键 */
    uid_t   uid ;          /* 此IPC对象用户ID */
    gid_t   gid ;          /* 此IPC对象组ID */
    uid_t   cuid ;         /* IPC对象创建进程的有效用户ID */
    gid_t   cgid ;         /* IPC对象创建进程的有效组ID */
    mode_t   mode ;        /* 此IPC的读写权限 */
    ulong_t  seq ;         /* IPC对象的序列号 */
    } ;

表15-2列出了ipc\_perm中mode的含义，其含义与文件访问权限相似。当调用IPC对象创建函数（semget、msgget、shmget）时，会对ipc\_perm结构变量的每一个成员赋值，其中mode的值来源于IPC对象创建函数最右边的形参flag（msgget中为msgflg、semget中为semflg、shmget中shmflg）。如需修改这几个成员变量则需调用相应的控制函数（msgctl、semctl、shmctl）。          
表15-2 IPC对象存取权限表

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td colspan="4"> ipc_perm中mode的含义 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 操作者 </td> 
 <td> 读 </td> 
 <td> 写 </td> 
 <td> 可读可写 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 用户 </td> 
 <td> 0400 </td> 
 <td> 0200 </td> 
 <td> 0600 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 组 </td> 
 <td> 0040 </td> 
 <td> 0020 </td> 
 <td> 0060 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 其他 </td> 
 <td> 0004 </td> 
 <td> 0002 </td> 
 <td> 0006 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 5.  IPC对象的创建权限 ##

msgget、semget、shmget函数最右边的形参flag（msgget中为msgflg、semget中为semflg、shmget中shmflg）为IPC对象创建权限，三种xxxget函数中flag的作用基本相同。 
IPC对象创建权限(即flag）格式为0xxxxx，其中0表示8位制，低三位为用户、属组、其他的读、写、执行权限(执行位不使用)，其含义与ipc\_perm的mode相同，具体含义见表15-2。在这里姑且把IPC对象创建权限格式的低三位称为“IPC对象存取权限”。如0600代表只有此用户下的进程才有可读可写权限。IPC对象存取权限常与下面IPC\_CREAT、IPC\_EXCL两种标志进行或（|）运算完成对IPC对象创建的管理，在这里姑且把IPC\_CREAT、IPC\_EXCL两种标志称为IPC创建模式标志。下面是两种创建模式标志在<sys/ipc.h>头文件中的宏定义。

#define IPC_CREAT    01000    /* Create key if key does not exist. */
    #define IPC_EXCL     02000     /* Fail if key exists.  */

综上所述，flag标志由两部分组成，一为IPC对象存取权限（含义同ipc\_perm中的mode）,一为IPC对象创建模式标志（IPC\_CREAT、IPC\_EXCL），两者进行|运算合成IPC对象创建权限。

## 6. 创建或打开IPC对象流程图 ##

semget、msgget、shmget函数的作用是创建一个新的IPC对象或者访问一个已存在的IPC对象。其创建或访问的规则如下：  
①    指定key为IPC\_PRIVATE操作系统保证创建一个唯一的IPC对象。  
②    设置flag参数的IPC\_CREAT位但不设置它的IPC\_EXCL位时，如果所指定key键的IPC对象不存在，那就是创建一个新的对象；否则返回该对象。  
③    同时设置flag的IPC\_CREAT和IPC\_EXCL位时，如果所指定key键的IPC对象不存在，那就创建一个新的对象；否则返回一个EEXIST错误，因为该对象已存在。  
综上所述，flag创建模式标志的作用如下表15-3所示。  
表15-3 三种xxxget函数flag的创建模式标志作用表

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> flag创建模式标志 </td> 
 <td> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 不存在 </td> 
 <td> &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 已存在 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 无特殊标志 </td> 
 <td> 出错，errno=ENOENT </td> 
 <td> 成功，引用已存在对象 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> IPC_CREAT </td> 
 <td> 成功，创建新对象 </td> 
 <td> 成功，引用已存在对象 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> IPC_CREAT|IPC_EXCL </td> 
 <td> 成功，创建新对象 </td> 
 <td> 出错，errno=EEXIST </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

下图15-2画出了semget、msgget、shmget创建或打开一个IPC对象的逻辑流程图，它说明了内核创建和访问IPC对象的流程。

![20171216200416137][]

图15-2 semget、msgget、shmget创建或打开一个IPC对象的逻辑流程图  
     使用semget、msgget、shmget创建一个IPC对象时，需要指定flag标志，在key不等于IPC\_PRIVATE情况下，flag标志决定了创建方式和创建后IPC对象的存取权限。在key等于IPC\_PRIVATE情况下，flag标志决定了创建后IPC对象的存取权限。如果只是引用一个已经存在的IPC对象只需把flag标志设为0即可。

## 有关该函数的三个常见问题： ##

1.pathname是目录还是文件的具体路径，是否可以随便设置  
2.pathname指定的目录或文件的权限是否有要求  
3.proj\_id是否可以随便设定，有什么限制条件

## 解答： ##

1、ftok根据路径名，提取文件信息，再根据这些文件信息及project ID合成key，该路径可以随便设置。  
    2、该路径是必须存在的，ftok只是根据文件inode在系统内的唯一性来取一个数值，和文件的权限无关。  
    3、proj\_id是可以根据自己的约定，随意设置。这个数字,有的称之为project ID; 在UNIX系统上,它的取值是1到255;

## 关于ftok()函数的一个陷阱 ##

在使用ftok()函数时，里面有两个参数，即fname和id，fname为指定的文件名，而id为子序列号，这个函数的返回值就是key，它与指定的文件的索引节点号和子序列号id有关，这样就会给我们一个误解，即只要文件的路径，名称和子序列号不变，那么得到的key值永远就不会变。  
     事实上，这种认识是错误的，想想一下，假如存在这样一种情况：在访问同一共享内存的多个进程先后调用ftok()时间段中，如果fname指向的文件或者目录被删除而且又重新创建，那么文件系统会赋予这个同名文件新的i节点信息，于是这些进程调用的ftok()都能正常返回，但键值key却不一定相同了。由此可能造成的后果是，原本这些进程意图访问一个相同的共享内存对象，然而由于它们各自得到的键值不同，实际上进程指向的共享内存不再一致；如果这些共享内存都得到创建，则在整个应用运行的过程中表面上不会报出任何错误，然而通过一个共享内存对象进行数据传输的目 的将无法实现。  
      这是一个很重要的问题，希望能谨记！！！  
     所以要确保key值不变，要么确保ftok()的文件不被删除，要么不用ftok()，指定一个固定的key值。

摘录自《深入浅出Linux工具与编程》

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