如何在Linux下反转POSIX消息队列方向实现单队列半双工双向通信

需求背景 #

需仅使用单个POSIX消息队列完成客户端与服务端进程间的双向通信，本质为半双工配置：支持双向传输，但同一时间消息仅能沿一个方向传输，无需支持同时收发。通信永远由客户端发送第一条消息发起，不存在服务端初始主动发消息的冲突场景，不考虑共享内存、System V消息队列、管道、TCP/UDP等其他进程通信方案。 #

现有双队列实现参考 #

当前主流方案为创建两个独立队列分别处理两个方向的传输，实现代码如下：

客户端代码 #

...
int read = mq_open("servertoclient", O_RDWR | O_CREAT, 0600, 0);
int write = mq_open("clienttoserver", O_RDWR | O_CREAT, 0600, 0);
char send_buffer[8192];
mq_send(write, send_buffer, 8192, 0); //向服务端发送消息
char receive_buffer[8192];
mq_receive(read, receive_buffer, 8192, 0); //接收服务端返回的响应
mq_close(write);
mq_close(read);
mq_unlink("servertoclient");
mq_unlink("clienttoserver");
...

服务端代码 #

...
int write = mq_open("servertoclient", O_RDWR | O_CREAT, 0600, 0);
int read = mq_open("clienttoserver", O_RDWR | O_CREAT, 0600, 0);
char send_buffer[8192];
mq_send(write, send_buffer, 8192, 0); //向客户端发送消息
char receive_buffer[8192];
mq_receive(read, receive_buffer, 8192, 0); //接收客户端返回的响应
mq_close(write);
mq_close(read);
mq_unlink("servertoclient");
mq_unlink("clienttoserver");
...

单队列半双工实现方案 #

采用对讲机式的方向控制逻辑，通过特殊编码的控制消息标记传输方向反转，无需频繁切换队列打开权限，调用mq_open时直接指定O_RDWR模式打开队列即可，通过协议层面的收发约定避免读写冲突。

控制消息约定 #

预先定义两类特殊控制消息，与普通业务数据做区分：

• 方向反转控制消息：内容固定为特殊标识（例如__TURNAROUND__），发送方完成所有业务数据发送后发送该消息，通知接收方可以切换为发送状态
• 终止控制消息：内容固定为特殊标识（例如__TERMINATE__），通知对方通信结束，可执行退出流程

客户端实现逻辑 #

• 调用mq_open以O_RDWR | O_CREAT权限打开单个公共队列，权限设为0600
• 发送所需业务数据，全部发送完成后发送方向反转控制消息
• 进入接收状态，循环读取队列消息：
  • 收到业务数据则直接处理
  • 收到方向反转控制消息，结束当前接收流程，切换回发送状态
  • 收到终止控制消息，进入退出流程
• 退出流程：关闭队列描述符，调用mq_unlink销毁队列后退出

服务端实现逻辑 #

• 调用mq_open以O_RDWR | O_CREAT权限打开同一个公共队列
• 初始进入接收状态，循环读取队列消息：
  • 收到业务数据则直接处理
  • 收到方向反转控制消息，结束当前接收流程，切换为发送状态
  • 收到终止控制消息，进入退出流程
• 发送状态下发送处理后的返回业务数据，全部发送完成后发送方向反转控制消息，切换回接收状态
• 退出流程：关闭队列描述符，调用mq_unlink销毁队列后退出

实现注意点 #

• 双方严格遵循“发送完才接收，接收完等反转消息才发送”的约定，因通信由客户端发起，初始仅客户端处于发送状态，不会出现双方同时写队列的冲突
• 可配合消息优先级做区分：例如业务数据用优先级1，控制消息用优先级2，接收时可优先识别控制消息，避免与业务数据混淆

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Java Weenis