第 52 章 POSIX 消息队列 (POSIX Message Queues)

核心结论

POSIX 消息队列特性：消息有优先级（严格优先级序）；引用计数删除；异步通知（信号或线程）；Linux 上 mqd_t 是 file descriptor（可 select/poll/epoll）。
核心 API：mq_open / mq_close / mq_unlink / mq_send / mq_receive / mq_getattr / mq_setattr / mq_notify / mq_timedsend / mq_timedreceive。
优先级 vs SysV type：POSIX 消息按优先级严格排序（数值越大越优先，相同优先级 FIFO）；SysV 用 msgrcv 按 type 灵活选择（FIFO / 精确 type / 最大 type ≤ N）。
mq_attr 属性：mq_flags（描述符标志）、mq_maxmsg（队列最大消息数）、mq_msgsize（单消息最大字节）、mq_curmsgs（当前消息数）；mq_maxmsg/mq_msgsize 创建时固定。
mq_notify 通知机制：空队列收到第一条消息时通知——方式有 SIGEV_NONE/SIGNAL/THREAD；同一队列同一时刻只有一个进程注册；触发后自动注销，需重新注册。
SysV vs POSIX 优势：POSIX 优点——引用计数、消息通知、可与 select/poll/epoll 集成（Linux）；POSIX 缺点——可移植性差（Linux 2.6.6+）、type 字段灵活性不如 SysV。
Linux 默认值：mq_maxmsg=10、mq_msgsize=8192；可通过 /proc/sys/fs/mqueue/msg_max、msgsize_max、queues_max 调整。
链接与挂载：编译 -lrt；mq 在虚拟文件系统——mount -t mqueue none /dev/mqueue 后可用 ls/rm 操作。

本章主旨

POSIX 消息队列是 SysV 消息队列的现代替代——核心改进是「引用计数删除」和「消息通知」。读者需要建立三组对比：(1) 与 SysV 消息队列对比——优先级 vs type、引用计数 vs 显式 IPC_RMID、通知 vs poll；(2) mq_open vs file open——同是「名字 + oflag + mode + attr」，但返回 mqd_t；(3) mq_send vs pipe write——保留消息边界、支持优先级、支持通知。Linux 把 mqd_t 实现为 fd——这是消息通知 + select/poll 集成的实现基础。

一、核心概念

本章围绕 6 个核心概念展开：API 模型、消息属性、优先级、引用计数、消息通知、Linux 特有特性。

概念定义 + 重要性实现提示

概念	定义 + 重要性	实现提示
mq_open / mq_close / mq_unlink	`mq_open(name, oflag, mode, attr)` 返回 mqd_t；`mq_close` 关闭；`mq_unlink` 删除名字（引用归零销毁）；同 POSIX IPC 三件套语义	§52.2；表 52-1：oflag 含 O_CREAT/O_EXCL/O_RDONLY/O_WRONLY/O_RDWR/O_NONBLOCK；attr 含 mq_maxmsg/mq_msgsize
mq_attr 属性结构	4 字段——mq_flags（描述符标志）、mq_maxmsg（队列容量）、mq_msgsize（单消息最大字节）、mq_curmsgs（当前消息数）；mq_maxmsg/mq_msgsize 创建后固定	§52.4；Linux 默认 10 条/8192 字节；mq_setattr 只能改 mq_flags；先 getattr 再 setattr 保留其他位
优先级与 FIFO	`mq_send(mqd, buf, len, prio)` 中 prio ≥ 0；接收始终是「最高优先级 + 同级 FIFO」；MQ_PRIO_MAX Linux=32768、Solaris=32、Tru64=256	§52.5；零长度消息允许；满则阻塞或 EAGAIN；超时用 mq_timedsend + abs_timeout
消息边界与管道对比	POSIX mq 保留消息边界（每次 send 对应一次 receive）；pipe 是字节流（无边界）；无 EOF 语义（写者关闭后读不返回 0）	§52.5.2；O_NONBLOCK 下空队列 mq_receive 返回 EAGAIN（不像 pipe 返回 0）
mq_notify 异步通知	`mq_notify(mqd, sigevent*)` 注册空队列收到消息时通知；SIGEV_NONE/SIGNAL/THREAD；同一队列同一时刻只允许一个注册者；触发后注销需重新注册	§52.6；注册前已非空则需先排空再注册；与其他进程 mq_receive 阻塞互斥（接收者优先）
Linux 特有：mqueuefs + fd 语义	Linux 把 mq 放在 mqueuefs（`mount -t mqueue`）；mqd_t 实为 file descriptor——可 select/poll/epoll；用 cat /dev/mqueue/X 看 QSIZE/NOTIFY/NOTIFY_PID	§52.7；非标准特性；可移植代码不依赖 fd 语义；`/proc/sys/fs/mqueue/` 调 limits

mq_open / mq_close / mq_unlink

mq_open(name, oflag, mode, attr) 返回 mqd_t；mq_close 关闭；mq_unlink 删除名字（引用归零销毁）；同 POSIX IPC 三件套语义

§52.2；表 52-1：oflag 含 O_CREAT/O_EXCL/O_RDONLY/O_WRONLY/O_RDWR/O_NONBLOCK；attr 含 mq_maxmsg/mq_msgsize

mq_attr 属性结构

4 字段——mq_flags（描述符标志）、mq_maxmsg（队列容量）、mq_msgsize（单消息最大字节）、mq_curmsgs（当前消息数）；mq_maxmsg/mq_msgsize 创建后固定

§52.4；Linux 默认 10 条/8192 字节；mq_setattr 只能改 mq_flags；先 getattr 再 setattr 保留其他位

优先级与 FIFO

mq_send(mqd, buf, len, prio) 中 prio ≥ 0；接收始终是「最高优先级 + 同级 FIFO」；MQ_PRIO_MAX Linux=32768、Solaris=32、Tru64=256

§52.5；零长度消息允许；满则阻塞或 EAGAIN；超时用 mq_timedsend + abs_timeout

消息边界与管道对比

POSIX mq 保留消息边界（每次 send 对应一次 receive）；pipe 是字节流（无边界）；无 EOF 语义（写者关闭后读不返回 0）

§52.5.2；O_NONBLOCK 下空队列 mq_receive 返回 EAGAIN（不像 pipe 返回 0）

mq_notify 异步通知

mq_notify(mqd, sigevent*) 注册空队列收到消息时通知；SIGEV_NONE/SIGNAL/THREAD；同一队列同一时刻只允许一个注册者；触发后注销需重新注册

§52.6；注册前已非空则需先排空再注册；与其他进程 mq_receive 阻塞互斥（接收者优先）

Linux 特有：mqueuefs + fd 语义

Linux 把 mq 放在 mqueuefs（mount -t mqueue）；mqd_t 实为 file descriptor——可 select/poll/epoll；用 cat /dev/mqueue/X 看 QSIZE/NOTIFY/NOTIFY_PID

§52.7；非标准特性；可移植代码不依赖 fd 语义；/proc/sys/fs/mqueue/ 调 limits

二、详细笔记

52.1 mq_open / mq_close / mq_unlink 生命周期

What：POSIX 消息队列的 open/close/unlink 三个生命周期调用——与文件 API 风格一致。

Why：与 SysV msgget/msgrcv/msgctl 的「key + id」风格相比，POSIX 名字模型更直观。

How：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 52 章
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <mqueue.h>

mqd_t mq_open(const char *name, int oflag, ...);
int mq_close(mqd_t mqdes);
int mq_unlink(const char *name);

/* 创建 */
struct mq_attr attr = { .mq_maxmsg = 50, .mq_msgsize = 2048 };
mqd_t mqd = mq_open("/myq", O_CREAT|O_RDWR, 0660, &attr);

/* 关闭（不删除对象） */
mq_close(mqd);

/* 取消链接（引用归零才真销毁） */
mq_unlink("/myq");

oflag 取值（表 52-1）：O_CREAT、O_EXCL、O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR、O_NONBLOCK。

When：(1) 进程启动时 mq_open（不存在则创建）；(2) 用完 mq_close（防止 fd 耗尽）；(3) 守护进程可立即 mq_unlink（避免名字残留）。

Example：第 52 章 pmsg_create.c 命令行 -c -m 50 -s 2048 /mq 创建带属性的队列；pmsg_unlink.c 删除。

52.2 mq_attr 属性结构

What：struct mq_attr 4 字段——mq_flags、mq_maxmsg、mq_msgsize、mq_curmsgs。

Why：可移植代码必须显式设置 mq_maxmsg/mq_msgsize——各实现默认值差异大。

How：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 52 章
struct mq_attr {
    long mq_flags;       /* O_NONBLOCK（getattr/setattr） */
    long mq_maxmsg;      /* 队列最大消息数（open/getattr） */
    long mq_msgsize;     /* 单消息最大字节（open/getattr） */
    long mq_curmsgs;     /* 当前消息数（getattr） */
};

struct mq_attr attr = { .mq_maxmsg = 50, .mq_msgsize = 2048 };
mqd_t mqd = mq_open("/q", O_CREAT|O_RDWR, 0660, &attr);

mq_getattr(mqd, &attr);
printf("curmsgs=%ld, maxmsg=%ld, msgsize=%ld\n",
       attr.mq_curmsgs, attr.mq_maxmsg, attr.mq_msgsize);

mq_setattr 只能改 mq_flags；可移植改 O_NONBLOCK 的正确模式——getattr → 改 flags → setattr。

When：(1) 创建时显式设 mq_maxmsg/mq_msgsize；(2) 读消息前 getattr 取 mq_msgsize 分配缓冲；(3) 切换阻塞/非阻塞用 setattr。

Example：第 52 章 pmsg_create.c -m 50 -s 2048 设置容量 50 条、单消息最大 2 KB；pmsg_getattr.c 打印当前属性。

52.3 优先级与 mq_send / mq_receive

What：mq_send(mqd, buf, len, prio) 与 mq_receive(mqd, buf, len, &prio)——prio 越大越优先，同优先级 FIFO。

Why：比 SysV mq 的 type 字段简单——按优先级排序，无需应用层排序。

How：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 52 章
int mq_send(mqd_t mqdes, const char *msg_ptr, size_t msg_len,
            unsigned int msg_prio);
ssize_t mq_receive(mqd_t mqdes, char *msg_ptr, size_t msg_len,
                   unsigned int *msg_prio);

/* 发送带优先级 */
mq_send(mqd, "hello", 5, 10);    /* 高优先级 */
mq_send(mqd, "world", 5, 0);     /* 低优先级 */

/* 接收——先收到优先级 10，再收到 0 */
unsigned int prio;
char buf[8192];
ssize_t n = mq_receive(mqd, buf, sizeof(buf), &prio);

消息大小 ≤ mq_msgsize；零长度消息允许；满则阻塞或 EAGAIN；空则阻塞或 EAGAIN；超时用 mq_timedsend / mq_timedreceive。

When：(1) 多任务调度——高优先级任务消息插队；(2) 同优先级维持 FIFO；(3) 不需 type 灵活性时首选 mq；(4) 需 type 灵活选择时仍用 SysV mq。

Example：第 52 章示例——pmsg_send /mq msg-a 5、pmsg_send /mq msg-b 0、pmsg_send /mq msg-c 10，pmsg_receive 依次得到 msg-c、msg-a、msg-b。

52.4 mq_notify 异步通知

What：mq_notify(mqd, sigevent*) 注册——空队列收到第一条消息时通知调用进程。

Why：避免「select/poll 忙等」或「阻塞 read 浪费 CPU」。

How：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 52 章
struct sigevent sev;
sev.sigev_notify = SIGEV_SIGNAL;       /* SIGEV_NONE/SIGNAL/THREAD */
sev.sigev_signo = SIGUSR1;
sev.sigev_value.sival_ptr = &my_data;  /* 信号 handler 可读 */
mq_notify(mqd, &sev);

/* 信号 handler 触发后需重新注册 */
void handler(int sig) {
    mq_notify(mqd, &sev);              /* 重注册 */
    /* 排空队列（非阻塞模式） */
    while (mq_receive(mqd, buf, attr.mq_msgsize, NULL) >= 0)
        /* process */;
}

sigev_notify 三选项：

SIGEV_NONE — 注册但不真正通知（用于「探测」是否有人等你）。
SIGEV_SIGNAL — 发 sigev_signo 信号；可设实时信号携带 sival_ptr/sival_int。
SIGEV_THREAD — 在新线程调 sigev_notify_function(sigval)。

When：(1) 单一消费者线程等待消息——注册一次，处理，重注册；(2) 多个消费者——不要用 mq_notify（互斥）；(3) 与 mq_receive 阻塞互斥——有人阻塞 receive 时不发通知。

Example：第 52 章 mq_notify_sig.c 用 sigsuspend 等 SIGUSR1 + O_NONBLOCK 排空；mq_notify_thread.c 用 SIGEV_THREAD 在线程中处理。

52.5 Linux 特有：mqueuefs + fd 语义

What：Linux 把 POSIX mq 实现为 mqueuefs 虚拟文件系统——mount -t mqueue none /dev/mqueue；mqd_t 实为 fd。

Why：可与 select/poll/epoll 集成——解决 SysV mq 等待消息+fd 的难题。

How：

挂载与查看

mount -t mqueue none /dev/mqueue ls /dev/mqueue/ # 显示所有 mq cat /dev/mqueue/myq # QSIZE/NOTIFY/NOTIFY_PID/SIGNO rm /dev/mqueue/myq # 等价 mq_unlink

/proc 接口调 limits

/proc/sys/fs/mqueue/msg_max # 默认 10 /proc/sys/fs/mqueue/msgsize_max # 默认 8192 /proc/sys/fs/mqueue/queues_max # 默认 256

mqd_t 是 fd——可 `select(mqd+1, &readfds, ...)` 等待消息；可 `poll()` / `epoll_wait()`。

*When*：(1) 调试时 `ls /dev/mqueue` 看消息队列；(2) 同时等 mq + 普通 fd——用 select/poll/epoll；(3) 调整系统限制写 `/proc/sys/fs/mqueue/queues_max`（CAP_SYS_RESOURCE）。

*Example*：第 52 章 §52.7 示例——`./pmsg_create -c /newq; ls /dev/mqueue` 显示 `newq`；`rm /dev/mqueue/newq` 删除。

=== 52.6 消息队列限制与 RLIMIT_MSGQUEUE

*What*：SUSv3 定义 MQ_PRIO_MAX（≥32）与 MQ_OPEN_MAX（≥8）；Linux 把后者替换为 fd 上限 + /proc/sys/fs/mqueue/ + RLIMIT_MSGQUEUE。

*Why*：知道限制才能写出健壮的 mq 程序。

*How*：

[cols="1,2,2", options="header"]
|===
| 限制 | 默认值 | 说明

| mq_maxmsg (per queue)
| /proc/sys/fs/mqueue/msg_max = 10
| 单队列最大消息数；HARD_MSGMAX = 32768（x86-32）

| mq_msgsize (per message)
| /proc/sys/fs/mqueue/msgsize_max = 8192
| 单消息最大字节；最大 INT_MAX（2.6.28+）

| queues_max (system-wide)
| /proc/sys/fs/mqueue/queues_max = 256
| 系统总消息队列数；达到后非特权进程无法创建

| MQ_PRIO_MAX
| Linux=32768
| 消息最大优先级；通过 sysconf(_SC_MQ_PRIO_MAX) 查询

| RLIMIT_MSGQUEUE
| 默认 0（很多系统）
| per-user 字节上限；用 setrlimit 调整
|===

*When*：(1) 调高队列容量需特权；(2) 单消息超过 8192 需 msgsize_max 调大；(3) 大量队列需 queues_max 调大；(4) 用 RLIMIT_MSGQUEUE 限制 per-user 总占用。

*Example*：`cat /proc/sys/fs/mqueue/queues_max` 看上限；root 可 `echo 1024 > /proc/sys/fs/mqueue/queues_max`。

== 三、关键图表

[NOTE]
.非可视化条目（API / 属性 / 限制）
====
[cols="1,3", options="header"]
|===
| 类别 | 内容

| 创建/打开
| `mq_open(name, oflag, mode, attr)` 返回 mqd_t；oflag 含 O_CREAT/O_EXCL/O_RDONLY/WRONLY/RDWR/O_NONBLOCK

| 关闭/删除
| `mq_close(mqd)` 不删除；`mq_unlink(name)` 引用归零销毁

| 收发
| `mq_send(mqd, buf, len, prio)`；`mq_receive(mqd, buf, len, &prio)`；零长度允许

| 超时
| `mq_timedsend/timedreceive(mqd, buf, len, prio, abs_timeout)`；超时 ETIMEDOUT

| 属性
| `mq_getattr/setattr(mqd, *attr)`；mq_flags 可改；mq_maxmsg/mq_msgsize 固定

| 通知
| `mq_notify(mqd, *sigevent)`；SIGEV_NONE/SIGNAL/THREAD；触发后注销

| 句柄
| mqd_t；Linux 上是 int fd（可 select/poll/epoll）

| 默认值
| mq_maxmsg=10；mq_msgsize=8192；MQ_PRIO_MAX=32768

| /proc 限制
| /proc/sys/fs/mqueue/{msg_max, msgsize_max, queues_max}

| RLIMIT
| RLIMIT_MSGQUEUE per-user 字节上限

| 挂载
| `mount -t mqueue none /dev/mqueue`

| 删除命令行
| `rm /dev/mqueue/<name>`（非特权只能删自己的）

| SysV vs POSIX
| POSIX 优点：引用计数、通知、Linux 上可 select/poll
| POSIX 缺点：可移植性差、type 不如 SysV 灵活
|===
====

== 四、思维导图

[source,mermaid]

mindmap root第 52 章 POSIX 消息队列 API 模型 mq_open close unlink 名字 oflag mode attr mqd_t 句柄 mq_attr 属性属性结构 mq_flags mq_maxmsg 10 mq_msgsize 8192 mq_curmsgs 当前 create 固定 maxmsg msgsize 收发优先级 mq_send prio mq_receive prio 优先级严格同级 FIFO 零长度消息满 EAGAIN 异步通知 mq_notify SIGEV NONE SIGEV SIGNAL SIGEV THREAD 一次注册需重新注册 Linux 特有 mqueuefs 虚拟文件 mqd_t 是 fd select poll epoll dev mqueue ls rm proc sys fs mqueue SysV 对比 POSIX 引用计数 POSIX 通知 POSIX 可 select SysV type 灵活 SysV 可移植

五、重点与易错点

mq_open attr 仅创建时生效——mq_maxmsg/mq_msgsize 创建后固定；mq_setattr 只能改 mq_flags。
mqd_t 不是普通 fd——SUSv3 不保证是 fd；Linux 上是，但可移植代码不依赖此。
优先级 vs SysV type——POSIX 严格优先级序；SysV msgrcv 可按 type 灵活选择（FIFO/精确/最大≤N）；需 type 灵活性时仍用 SysV。
消息边界 vs pipe——POSIX mq 保留消息边界；pipe 是字节流；mq 无 EOF 语义。
mq_receive 不返回 0——空队列阻塞读永远阻塞；O_NONBLOCK 下返回 EAGAIN（不像 pipe 返回 0）。
mq_notify 触发一次自动注销——必须重新注册；否则后续消息不再通知。
mq_notify 与 mq_receive 阻塞互斥——有人阻塞 receive 时不发通知；多个消费者不要用 notify。
注册时队列已非空——需先排空再注册；否则永远等不到通知。
信号方式必须先阻塞信号 + sigsuspend 等——避免信号在 mq_notify 之前到达；pause() 不可靠。
Linux MQ_PRIO_MAX=32768——比 SysV type 灵活范围大；SUSv3 只要求 ≥32。
MQ_OPEN_MAX Linux 不限——因为 mqd_t 是 fd，受 RLIMIT_NOFILE 限制。
RLIMIT_MSGQUEUE per-user 累计——所有队列总字节数受限于此；用 setrlimit 调整。
Linux 默认 mq_maxmsg=10, msgsize=8192——可移植代码必须显式设 attr；不能依赖默认。
CAP_SYS_RESOURCE 改 mqueuefs limits——非特权受 /proc/sys/fs/mqueue/ 限制；特权忽略 msg_max/msgsize_max，但仍受 HARD_MSGMAX 约束。
跨章衔接：第 46 章 SysV 消息队列（msgget/msgrcv 用 type）；第 53 章 POSIX 信号量；第 54 章 POSIX 共享内存；第 51 章 POSIX IPC 概述（通用 API 模型）。