Linux 进程间通信：概念、目的与分类详解

1. 管道体系

1.1 匿名管道（pipe）

// 创建匿名管道
int pipe(int pipefd[2]);
// pipefd[0]: 读端
// pipefd[1]: 写端

特性：

• 单向通信
• 仅用于有亲缘关系的进程（通常为父子进程）
• 内核缓冲区大小有限（Linux 默认 64KB）
• 无数据边界概念（字节流）

使用示例：

# Shell 中的管道使用
ls -l | grep ".txt" | wc -l

1.2 命名管道（FIFO）

// 创建命名管道
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

特性：

• 有文件系统路径，可在无关进程间使用
• 支持多读多写（需外部同步）
• 数据以先进先出顺序处理
• 可通过标准文件 I/O 函数操作

2. System V IPC

2.1 System V 消息队列

数据结构：

struct msgbuf {
    long mtype;   // 消息类型
    char mtext[1]; // 消息数据
};

特性：

• 消息链表结构，支持类型过滤
• 异步通信，发送者无需等待接收者
• 消息优先级支持
• 系统范围资源，需显式删除

API 函数：

msgget() // 创建/获取消息队列
msgsnd() // 发送消息
msgrcv() // 接收消息
msgctl() // 控制操作

2.2 System V 共享内存

工作原理：

进程 A 地址空间  进程 B 地址空间
↓                ↓
-------------------------
|      共享内存段       |
-------------------------

特性：

• 最快的 IPC 方式（无需内核复制）
• 需要显式同步机制（如信号量）
• 需考虑缓存一致性问题
• 系统范围资源管理

API 函数：

shmget() // 创建/获取共享内存段
shmat()  // 附加到进程地址空间
shmdt()  // 分离共享内存
shmctl() // 控制操作

2.3 System V 信号量

数据结构：

union semun {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};

类型：

• 计数信号量：资源计数
• 二值信号量：互斥锁

操作：

• P 操作（wait）：申请资源
• V 操作（signal）：释放资源

API 函数：

semget() // 创建/获取信号量集
semop()  // 执行信号量操作
semctl() // 控制操作

3. POSIX IPC

3.1 POSIX 消息队列

// 打开消息队列
mqd_t mq_open(const char *name, int oflag, mode_t mode, struct mq_attr *attr);

改进：

• 基于文件描述符的 API
• 支持消息优先级
• 支持异步通知（信号或线程）
• 更好的可移植性

3.2 POSIX 共享内存

// 创建共享内存对象
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

改进：

• 使用内存映射文件机制
• 基于文件系统路径命名
• 更好的资源生命周期管理
• 支持大小调整

3.3 POSIX 信号量

类型：

未命名信号量：用于线程间或进程间（在共享内存中）

sem_init();
sem_destroy();

命名信号量：用于进程间同步

sem_open();
sem_close();
sem_unlink();

3.4 互斥量（Mutex）

进程间互斥量特点：

• 需放置在共享内存中
• 需设置 PTHREAD_PROCESS_SHARED 属性
• 防止多个进程同时访问临界区

pthread_mutexattr_t attr;
pthread_mutexattr_init(&attr);
pthread_mutexattr_setpshared(&attr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);

3.5 条件变量（Condition Variable）

作用：线程/进程间的条件等待和通知 使用模式：

// 等待条件
pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
// 通知条件
pthread_cond_signal(&cond);     // 通知一个等待者
pthread_cond_broadcast(&cond);  // 通知所有等待者

3.6 读写锁（Read-Write Lock）

特性：

• 允许多个读者同时访问
• 只允许一个写者访问
• 读者优先或写者优先策略

pthread_rwlockattr_t attr;
pthread_rwlockattr_setpshared(&attr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);

四、IPC 选择指南