Linux IPC 进程间通信总结

IPC（Inter‑Process Communication）进程间通信，用于实现同一台主机上不同进程之间的数据交互。进程用户空间互相独立，不能直接访问，通信必须借助操作系统内核提供的机制。

IPC 分为三大类：

1. 传统古老通信：无名管道、有名管道、信号
2. System V IPC 对象：共享内存、消息队列、信号量集
3. Socket：支持本机 / 跨主机网络通信

1. 无名管道 pipe

• 适用范围：仅亲缘进程（父子进程）
• 创建：pipe(fd[2])，fd[0]读端，fd[1]写端
• 本质：内核缓冲区，默认 64K，FIFO 先进先出
• 特点
  1. 写阻塞：当管道的读写端都存在时，管道写满数据时，发生写阻塞。
  2. 读阻塞：当管道的读写端都存在时，管道为空时，读管道发生读阻塞。
  3. 读返回0：当管道没有写端，只有读端时，管道中有数据则读出数据，无数据时，不再读阻塞，读 管道直接返回0字节。
  4. 管道破裂：当管道没有读端，向管道中写数据，发生管道破裂异常。
• 使用流程：pipe()创建 → read()读 / write()写 → close()关闭文件描述符

2. 有名管道 FIFO

• 适用范围：本机任意进程，不需要亲缘关系
• 创建：mkfifo()生成管道文件，存放在文件系统
• 使用流程：mkfifo()创建管道文件 → open()打开 → read() / write()读写 → close()关闭

和无名管道内核行为一致，区别是有实体文件，非亲缘进程可以通过文件名打开通信。

3. 信号 signal

• 本质：异步软中断通知机制，不携带大量业务数据，用来通知进程发生某个事件。
• 常见信号
  • SIGINT Ctrl+C，终止进程
  • SIGKILL 强制杀死进程，不能被捕获忽略
  • SIGCHLD 子进程退出时发送给父进程
  • SIGUSR1 / SIGUSR2 用户自定义信号
• 信号三种处理方式
  1. 忽略：SIG_IGN
  2. 默认处理：SIG_DFL（大多直接杀死进程）
  3. 捕获：注册自定义回调函数处理信号
• 核心 API
  • signal()：注册信号处理函数
  • kill(pid,sig)：向指定进程发送信号
  • alarm(sec)：定时，到期发送 SIGALRM
  • pause()：进程休眠，等待信号唤醒

4. System V — 消息队列

• 内核维护消息链表，数据按消息类型收发，可以按类型选择性读取消息，实现简单消息优先级。

• 操作步骤

1. ftok()：生成 IPC 唯一 key
2. msgget()：创建 / 获取消息队列 ID
3. msgsnd()：发送消息（携带消息类型 + 消息正文）
4. msgrcv()：按类型接收消息
5. msgctl(IPC_RMID)：删除消息队列

• 系统命令查看：ipcs -a；删除：ipcrm -q

缺点：拷贝次数多，大数据传输效率一般。

5. System V — 共享内存（效率最高 IPC）

• 原理：把同一块内核内存，映射到多个进程用户虚拟地址空间，进程直接读写这块内存，减少数据拷贝。
• 操作步骤

1. ftok()生成 key
2. shmget()创建共享内存，返回 shmid
3. shmat()挂载映射到进程用户空间，得到内存指针，直接读写
4. shmdt()解除映射
5. shmctl(IPC_RMID)销毁共享内存

⚠️共享内存本身没有同步互斥机制，多进程读写需要搭配信号量 / 互斥锁做保护，防止数据竞争。

6. System V — 信号量集

• 作用：进程间同步、互斥，不传输业务数据，用来保护临界资源。
• 本质：内核维护一组计数器（信号量数组）
• P 操作（申请资源，计数器‑1）；V 操作（释放资源，计数器 + 1）。

7. Socket 通信

• 既可以本机进程通信，也可以跨主机网络通信。
• 分为 UDP、TCP 套接字；本地 Unix 域 socket 专门用于本机 IPC。