Linux 入门九：Linux 进程间通信

概述

进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）是指在不同进程之间传递数据和信息的机制。Linux 提供了多种 IPC 方式，包括管道、信号、信号量、消息队列、共享内存和套接字等。

方式

一、管道（Pipe）

管道是 Linux 中最基础的进程间通信方式，通过内核缓冲区实现数据传输，分为无名管道和有名管道，适用于不同场景的进程通信。

1. 无名管道（PIPE）

核心特点

• 亲缘关系限制：仅支持父子 / 兄弟等有亲缘关系的进程通信（通过 fork 继承文件描述符）。
• 半双工通信：数据单向流动，固定 fd[0] 为读端，fd[1] 为写端。
• 内存级文件：无实际磁盘文件，数据存在于内核缓冲区，进程退出后数据消失。

关键函数：pipe

#include <unistd.h>
int pipe(int fd[2]);  // fd[0]=读端，fd[1]=写端，成功返回 0，失败返回 -1

通信步骤（以父子进程为例）

步骤 1：创建管道

int fd[2];
if (pipe(fd) == -1) {perror("pipe create failed");exit(1);
}

• 作用：在内核中创建缓冲区，返回两个文件描述符。

步骤 2：fork 生成子进程

pid_t pid = fork();
if (pid < 0) {perror("fork failed");exit(1);
}

• 目的：通过子进程继承父进程的管道文件描述符。

步骤 3：父子进程分工读写

• 父进程（写端）：

  if (pid > 0) {close(fd[0]);  // 关闭读端，仅用写端const char *msg = "Hello from parent!";write(fd[1], msg, strlen(msg));  // 向管道写数据close(fd[1]);  // 写完关闭写端wait(NULL);  // 等待子进程结束
  }
  

• 子进程（读端）：

  else {close(fd[1]);  // 关闭写端，仅用读端char buf[1024] = {0};ssize_t n = read(fd[0], buf, sizeof(buf));  // 从管道读数据if (n > 0) {printf("Child read: %s\n", buf);}close(fd[0]);
  }
  

• 关键点：读写端分离，避免双向干扰。

步骤 4：处理关闭顺序（重要！）

• 先关写端：读端 read 返回 0（管道空且关闭）。
• 先关读端：写端 write 会触发 SIGPIPE 信号（需用 signal 处理或忽略）。

// 示例：处理 SIGPIPE 信号
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);  // 忽略该信号，避免进程终止

完整示例（父子进程通信）

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>void handle_pipe_signal(int sig) {printf("Caught SIGPIPE (signal %d)\n", sig);
}int main() {int fd[2];signal(SIGPIPE, handle_pipe_signal);  // 注册信号处理函数if (pipe(fd) == -1) {perror("pipe");exit(1);}pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");exit(1);} else if (pid == 0) {// 子进程：读端close(fd[1]);char buf[1024];ssize_t n = read(fd[0], buf, sizeof(buf));if (n > 0) {printf("Child received: %s\n", buf);}close(fd[0]);} else {// 父进程：写端close(fd[0]);const char *msg = "Hello, child!";write(fd[1], msg, strlen(msg));close(fd[1]);  // 关闭写端后，子进程读端会收到 EOF}return 0;
}

2. 有名管道（FIFO）

核心特点

• 无亲缘限制：通过文件系统路径名（如 /tmp/myfifo）实现任意进程通信。
• 持久化存储：管道以文件形式存在（类型为 p），可通过 ls -l 查看。
• 阻塞机制：读 / 写端未打开时，open 会阻塞（除非用 O_NONBLOCK）。

创建方式

方式 1：命令行创建（mkfifo）

mkfifo /tmp/myfifo  # 创建有名管道文件
ls -l /tmp/myfifo    # 查看：类型为 p（pipe）

方式 2：编程创建（mkfifo 函数）

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);  // 成功返回 0，失败返回 -1
// mode：文件权限，如 0666（读写权限）

读写流程（以客户端 - 服务器模式为例）

步骤 1：创建管道（服务端执行）

// server.c
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {if (mkfifo("/tmp/myfifo", 0666) == -1 && errno != EEXIST) {perror("mkfifo");return 1;}// 后续打开管道进行读写...return 0;
}

步骤 2：打开管道（读端 / 写端）

• 读端（阻塞模式）：

  int fd_read = open("/tmp/myfifo", O_RDONLY);  // 阻塞直到写端打开
  

• 写端（非阻塞模式）：

  int fd_write = open("/tmp/myfifo", O_WRONLY | O_NONBLOCK);  // 不阻塞
  

步骤 3：读写数据（与普通文件一致）

• 写端示例（客户端）：

  // client.c（写端）
  #include <fcntl.h>
  #include <stdio.h>
  #include <string.h>
  #include <unistd.h>int main() {int fd = open("/tmp/myfifo", O_WRONLY);if (fd == -1) {perror("open write");return 1;}char *msg = "Hello, FIFO!";write(fd, msg, strlen(msg));close(fd);return 0;
  }
  

• 读端示例（服务端）：

  // server.c（续）
  int fd = open("/tmp/myfifo", O_RDONLY);
  char buf[1024] = {0};
  ssize_t n = read(fd, buf, sizeof(buf));
  if (n > 0) {printf("Server read: %s\n", buf);
  }
  close(fd);
  unlink("/tmp/myfifo");  // 清理管道文件（非必须，可保留）
  

注意事项

• 文件权限：需确保读写进程对管道文件有对应权限（读端需 O_RDONLY，写端需 O_WRONLY）。
• 阻塞行为：
  • 读端 open 时，若写端未打开，会阻塞直到写端打开。
  • 写端 open 时，若读端未打开，默认阻塞（加 O_NONBLOCK 则返回 -1）。

3. 标准流管道（popen/pclose）

核心功能

• 简化 shell 命令调用：通过管道连接进程与外部命令的标准输入 / 输出。
• 文件流接口：使用 FILE* 指针，兼容 fread/fwrite 等标准 IO 函数。

关键函数

popen：创建管道并执行命令

#include <stdio.h>
FILE* popen(const char *command, const char *mode);
// command：要执行的 shell 命令（如 "ls -l"）
// mode："r"（读命令输出）或 "w"（向命令输入）
// 返回：成功返回文件流指针，失败返回 NULL

pclose：关闭管道

int pclose(FILE *stream);  // 成功返回命令退出码，失败返回 -1

示例：读取命令输出（如 cat /etc/os-release）

#include <stdio.h>int main() {FILE *fp = popen("cat /etc/os-release", "r");  // 执行命令，获取读流if (fp == NULL) {perror("popen");return 1;}char buf[256];while (fgets(buf, sizeof(buf), fp)) {  // 逐行读取命令输出printf("%s", buf);}pclose(fp);  // 关闭管道，释放资源return 0;
}

示例：向命令输入数据（如 wc -w 统计单词数）

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {const char *text = "hello world\nlinux ipc\n";FILE *fp = popen("wc -w", "w");  // 向命令标准输入写数据if (fp == NULL) {perror("popen");return 1;}fwrite(text, sizeof(char), strlen(text), fp);  // 写入数据pclose(fp);  // 关闭时命令执行完毕，输出统计结果return 0;
}

4. 管道对比与适用场景

特性	无名管道（PIPE）	有名管道（FIFO）	标准流管道（popen）
进程关系	亲缘关系	任意进程	主进程与外部命令
持久化	内存中，进程退出消失	文件系统存在（需手动删除）	临时管道，pclose 后消失
接口方式	read/write	open/read/write	fread/fwrite
典型场景	父子进程数据传递	跨进程日志监控	执行 shell 命令并处理输出

总结

管道是 Linux IPC 的基础，无名管道适合亲缘进程快速通信，有名管道突破进程关系限制，标准流管道简化命令交互。掌握管道的阻塞机制、文件描述符操作和信号处理，是深入理解进程通信的关键。后续可结合信号量、共享内存等进阶方式，实现更复杂的同步与数据交换。

二、信号（Signal）

信号是 Linux 中一种轻量级的进程间通信方式，通过软件模拟硬件中断机制，用于通知进程发生了异步事件（如用户输入、子进程结束、非法内存访问等）。进程可以通过捕获信号执行特定操作，或选择忽略、使用默认处理方式。

1. 信号基础：从 “软中断” 到进程通知

核心概念

• 异步事件：信号的到来无需进程主动等待，类似硬件中断（如键盘按下 Ctrl+C 发送 SIGINT 信号）。
• 信号类型：系统预定义 30+ 种信号（如 SIGKILL、SIGCHLD），每个信号有唯一编号（如 SIGINT 对应 2）和默认行为（如终止进程、忽略、内存转储等）。
• 信号处理：进程可自定义信号处理逻辑，或沿用系统默认行为，或忽略信号（但 SIGKILL 和 SIGSTOP 不可被忽略或捕获）。

查看系统信号列表

kill -l  # 列出所有信号及其编号

2. 信号处理三方式：默认、忽略、捕获

方式 1：默认处理（系统预设行为）

• 示例：收到 SIGINT（Ctrl+C）时，进程默认终止。
• 适用场景：无需特殊处理的信号（如 SIGCHLD 子进程结束信号，默认忽略）。

方式 2：忽略信号（丢弃事件）

#include <signal.h>
signal(SIGINT, SIG_IGN);  // 忽略 SIGINT 信号，Ctrl+C 无效

• 注意：SIGKILL（编号 9）和 SIGSTOP（编号 19）不可被忽略，用于强制终止 / 暂停进程。

方式 3：捕获信号（自定义处理逻辑）

通过 signal 函数注册信号处理函数，进程收到信号时自动调用该函数。

#include <signal.h>
typedef void (*sighandler_t)(int);  // 信号处理函数原型，参数为信号编号
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
// signum：目标信号（如 SIGINT）
// handler：处理函数指针，或 SIG_IGN（忽略）、SIG_DFL（默认）

步骤 1：定义信号处理函数

void handle_sigint(int sig) {printf("收到信号 %d（SIGINT），不终止进程，继续运行...\n", sig);// 可在此添加自定义逻辑（如清理资源、保存状态）
}

步骤 2：注册处理函数

int main() {signal(SIGINT, handle_sigint);  // 将 SIGINT 信号绑定到 handle_sigint 函数printf("程序运行中，按 Ctrl+C 触发信号处理...\n");while (1) sleep(1);  // 循环运行，演示信号异步触发return 0;
}

关键点

• 异步触发：信号处理函数会打断进程当前操作，类似 “回调函数”。
• 可重入函数：处理函数中避免使用非可重入函数（如 printf 是安全的，但全局变量操作需加锁）。

3. 信号发送：主动通知进程的 “信使”

函数 1：kill — 向指定进程发信号

#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);
// pid：目标进程 ID（`pid > 0` 为单个进程，`pid = 0` 为当前进程组所有进程）
// sig：信号类型（如 SIGTERM、SIGKILL）
// 返回：成功 0，失败 -1（如 pid 不存在）

示例：杀死指定进程

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>int main() {pid_t target_pid = 12345;  // 替换为实际进程 IDif (kill(target_pid, SIGTERM) == -1) {  // 发送终止信号（可捕获）perror("kill failed");return 1;}printf("已向进程 %d 发送 SIGTERM 信号\n", target_pid);return 0;
}

• 命令行等价：kill -SIGTERM 12345 或 kill -15 12345。

函数 2：raise — 向自身发信号

#include <signal.h>
int raise(int sig);  // 等价于 kill(getpid(), sig)
// 示例：主动触发 SIGUSR1 信号
raise(SIGUSR1);

函数 3：pause — 挂起进程直到收到信号

#include <unistd.h>
int pause(void);  // 成功时不返回（仅当捕获信号且处理函数未终止进程时继续执行）

示例：等待信号唤醒

printf("等待信号唤醒...\n");
pause();  // 进程在此阻塞，直到收到任意信号（除忽略的信号）
printf("信号处理完成，继续执行...\n");

4. 实战场景：僵尸进程与信号处理

什么是僵尸进程？

子进程退出后，父进程未调用 wait/waitpid 回收资源，导致子进程状态保留在系统中，成为 “僵尸进程”（状态为 Z）。

问题影响

• 占用进程表资源，过多会导致系统性能下降。
• 父进程退出后，僵尸进程由 init 进程（PID 1）接管，但仍需手动清理。

解决方案：捕获 SIGCHLD 信号

子进程结束时，系统自动向父进程发送 SIGCHLD 信号，父进程可通过处理该信号回收资源。

步骤 1：注册信号处理函数

#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>void handle_child(int sig) {pid_t pid;int status;while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0) {  // 非阻塞回收所有子进程if (WIFEXITED(status)) {  // 子进程正常退出printf("子进程 %d 退出，状态码 %d\n", pid, WEXITSTATUS(status));} else {  // 子进程被信号终止printf("子进程 %d 被信号 %d 终止\n", pid, WTERMSIG(status));}}
}

步骤 2：在父进程中绑定信号

int main() {signal(SIGCHLD, handle_child);  // 绑定 SIGCHLD 信号处理函数// 创建子进程示例pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程逻辑exit(0);  // 子进程退出，触发 SIGCHLD 信号} else {// 父进程继续运行，无需阻塞等待子进程while (1) sleep(1);}return 0;
}

关键函数 waitpid

#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
// pid：-1 表示任意子进程，0 表示同进程组子进程
// status：存储子进程退出状态（NULL 时忽略）
// options：WNOHANG 表示非阻塞，无退出子进程时立即返回

5. 常见信号分类与典型用途

信号名称	编号	默认行为	典型场景
SIGINT	2	终止进程	用户按下 Ctrl+C，中断程序运行
SIGKILL	9	强制终止进程（不可捕获 / 忽略）	紧急终止无响应进程（kill -9 <pid>）
SIGCHLD	17	忽略	子进程结束时通知父进程，触发资源回收
SIGPIPE	13	终止进程	向已关闭读端的管道写数据时触发（需处理避免崩溃）
SIGTERM	15	终止进程（可捕获）	优雅终止进程（kill <pid> 默认发送此信号）
SIGUSR1/SIGUSR2	10/12	终止进程	用户自定义信号，用于进程间自定义通信

6. 信号处理最佳实践

1. 避免僵尸进程：永远为 SIGCHLD 信号注册处理函数，使用 waitpid 非阻塞回收子进程。
2. 谨慎处理 SIGPIPE：网络编程或管道通信时，捕获该信号并忽略，避免程序意外终止：

   signal(SIGPIPE, SIG_IGN);  // 忽略管道破裂信号
   

3. 区分信号类型：SIGKILL 用于强制终止，SIGTERM 用于正常终止（允许进程清理资源）。
4. 可重入性：信号处理函数中仅调用可重入函数（如 _exit、write），避免使用全局变量或复杂逻辑。

总结

信号是 Linux 进程间通信的 “轻骑兵”，适合异步通知和简单控制（如终止、暂停进程）。掌握 signal 函数的使用、信号发送机制（kill/raise）以及僵尸进程处理，是编写健壮程序的基础。后续可结合信号量、共享内存等方式，实现更复杂的进程同步与协作。

三、System V 信号量

System V 信号量是 Linux 中用于进程同步的核心机制之一，通过维护一个非负整数计数器（信号量值），控制多个进程对共享资源的访问。它支持 “信号量集”（多个信号量的集合），适用于复杂的同步场景，如生产者 - 消费者问题、资源竞争控制等。

1. 信号量核心概念：从 “资源计数器” 到进程同步

什么是信号量？

• 本质：一个非负整数变量，用于表示可用资源的数量。
• PV 操作：
  • P 操作（申请资源）：信号量值减 1，若结果为负则阻塞进程，直到资源可用。
  • V 操作（释放资源）：信号量值加 1，若有进程阻塞则唤醒。
• 信号量集：包含多个信号量的集合（类似数组），每个信号量通过编号（从 0 开始）唯一标识，适用于管理多种资源。

典型应用场景

• 互斥访问：确保共享资源同一时间仅被一个进程访问（二进制信号量，初始值为 1）。
• 资源计数：控制同时访问资源的进程数量（如连接池，初始值为资源总数）。

2. 关键函数：信号量集的创建、操作与控制

函数 1：semget — 创建 / 获取信号量集

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int flag);

• 参数解释：
  • key：信号量集的唯一标识（可通过 ftok 函数生成，或用 IPC_PRIVATE 创建私有信号量集）。
  • nsems：信号量集中信号量的数量（创建时需指定，获取已有集合时设为 0）。
  • flag：
    • 权限标志：如 0666（读写权限）。
    • 创建标志：IPC_CREAT（不存在则创建）、IPC_EXCL（与 IPC_CREAT 合用，确保创建新集合）。
• 返回值：成功返回信号量集 ID（整数），失败返回 -1。

示例：生成唯一 key

key_t key = ftok("/tmp/semaphore.txt", 'S');  // 基于文件路径和项目 ID 生成 key

函数 2：semop — 执行信号量操作（PV 操作）

#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nops);

• 参数解释：
  • semid：信号量集 ID（由 semget 返回）。
  • sops：指向 struct sembuf 数组的指针，每个元素描述一个信号量操作：

    struct sembuf {short sem_num;   // 信号量在集合中的编号（0 开始）short sem_op;    // 操作值：-1（P 操作，申请资源）、+1（V 操作，释放资源）short sem_flg;   // 标志位，常用 `SEM_UNDO`（进程退出时自动恢复信号量值）
    };
    

  • nops：操作数组的长度（一次可操作多个信号量，实现原子操作）。
• 返回值：成功返回 0，失败返回 -1。

函数 3：semctl — 控制信号量集（初始化、删除等）

#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);  // 可变参数依赖于 cmd

• 参数解释：
  • semid：信号量集 ID。
  • semnum：目标信号量编号（单个信号量操作时使用，集合操作时设为 0）。
  • cmd：操作类型（常用值）：
    • SETVAL：设置信号量初始值（需第四个参数 union semun）。
    • GETVAL：获取信号量当前值（返回值为信号量值）。
    • IPC_RMID：删除信号量集（无需第四个参数）。
• union semun 自定义（需用户声明）：

  union semun {int val;                // 用于 SETVAL 初始化信号量struct semid_ds *buf;   // 用于 IPC_STAT/IPC_SETunsigned short *array;  // 用于 GETALL/SETALL（操作信号量集）
  };
  

3. 使用步骤：从创建到销毁，手把手实现信号量同步

场景：父子进程同步，轮流打印 “父” 和 “子”

步骤 1：创建信号量集并初始化

#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>union semun {int val;
};int main() {key_t key = ftok(".", 'S');  // 生成唯一 keyint semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);  // 创建包含 1 个信号量的集合union semun arg;arg.val = 1;  // 初始化信号量为 1（表示可用资源数）semctl(semid, 0, SETVAL, arg);  // 对第 0 号信号量设置初始值// 后续步骤...
}

• 关键点：SETVAL 必须在 semop 之前调用，否则信号量值未定义。

步骤 2：定义 PV 操作函数

// P 操作：申请资源（信号量减 1，阻塞直到 >= 0）
void sem_p(int semid) {struct sembuf sop = {0, -1, SEM_UNDO};  // 操作第 0 号信号量，减 1，自动恢复semop(semid, &sop, 1);
}// V 操作：释放资源（信号量加 1）
void sem_v(int semid) {struct sembuf sop = {0, +1, SEM_UNDO};semop(semid, &sop, 1);
}

• SEM_UNDO 作用：若进程异常退出，内核自动将信号量恢复为操作前的值，避免资源泄漏。

步骤 3：父子进程通过信号量同步

pid_t pid = fork();
if (pid == 0) {// 子进程：先等待父进程释放信号量for (int i = 0; i < 5; i++) {sem_p(semid);  // 申请资源（阻塞直到信号量 >= 1）printf("子\n");sem_v(semid);  // 释放资源，允许父进程继续}
} else {// 父进程：先占用信号量，再释放for (int i = 0; i < 5; i++) {sem_p(semid);printf("父\n");sem_v(semid);}wait(NULL);  // 等待子进程结束
}

• 执行效果：父与子交替打印，确保每次仅一个进程执行。

步骤 4：删除信号量集（避免残留）

semctl(semid, 0, IPC_RMID);  // 立即删除信号量集，唤醒所有阻塞进程

4. 进阶应用：生产者 - 消费者问题（多信号量协作）

场景描述

• 共享缓冲区大小为 N，生产者向缓冲区放数据，消费者取数据。
• 信号量设计：
  • empty：空缓冲区数量（初始值 N，V 操作表示释放空缓冲区）。
  • full：满缓冲区数量（初始值 0，P 操作表示获取满缓冲区）。
  • mutex：互斥信号量（初始值 1，确保缓冲区操作互斥）。

代码框架（简化版）

#define N 5  // 缓冲区大小
int semid;// 初始化信号量集（3 个信号量：empty, full, mutex）
void init_sem() {union semun arg;key_t key = ftok(".", 'S');semid = semget(key, 3, IPC_CREAT | 0666);// 初始化 empty=N, full=0, mutex=1arg.val = N; semctl(semid, 0, SETVAL, arg);  // empty（0 号）arg.val = 0;   semctl(semid, 1, SETVAL, arg);  // full（1 号）arg.val = 1;   semctl(semid, 2, SETVAL, arg);  // mutex（2 号）
}// 生产者：放入数据
void producer() {for (int i = 0; i < 10; i++) {struct sembuf ops[] = {{0, -1, SEM_UNDO},  // P(empty)：申请空缓冲区{2, -1, SEM_UNDO},  // P(mutex)：互斥访问缓冲区// 放入数据的逻辑...{2, +1, SEM_UNDO},  // V(mutex)：释放互斥锁{1, +1, SEM_UNDO}   // V(full)：增加满缓冲区};semop(semid, ops, 4);  // 原子操作 4 个信号量}
}// 消费者：取出数据
void consumer() {for (int i = 0; i < 10; i++) {struct sembuf ops[] = {{1, -1, SEM_UNDO},  // P(full)：申请满缓冲区{2, -1, SEM_UNDO},  // P(mutex)：互斥访问缓冲区// 取出数据的逻辑...{2, +1, SEM_UNDO},  // V(mutex)：释放互斥锁{0, +1, SEM_UNDO}   // V(empty)：增加空缓冲区};semop(semid, ops, 4);}
}

• 关键点：semop 支持一次操作多个信号量，确保多个 PV 操作的原子性（要么全成功，要么全失败）。

5. 信号量操作注意事项

（1）信号量初始值设置

• 二进制信号量（互斥）：初始值为 1，确保唯一进程访问资源。
• 计数信号量（资源池）：初始值为资源总数（如数据库连接数为 5，则初始值设为 5）。

（2）避免死锁

• 操作顺序：多个信号量操作时，确保所有进程以相同顺序申请信号量（如先申请 mutex，再申请 full）。
• 超时机制：结合 semop 的非阻塞标志（但 System V 信号量不直接支持，需通过其他方式实现）。

（3）信号量集清理

• 手动删除：通过 semctl(semid, 0, IPC_RMID) 删除，避免信号量集残留（可用 ipcs -s 查看系统信号量，ipcrm -s semid 命令删除）。
• 自动回收：信号量集在内核中持久化，即使进程退出也不会自动删除，必须显式调用 semctl 删除。

6. 代码示例：完整的信号量互斥演示

#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>union semun { int val; };// 初始化信号量
int init_sem(key_t key, int initial_val) {int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);if (semid == -1) {semid = semget(key, 1, 0);  // 获取已存在的信号量集return semid;}union semun arg;arg.val = initial_val;semctl(semid, 0, SETVAL, arg);return semid;
}// P 操作
void sem_p(int semid) {struct sembuf sop = {0, -1, SEM_UNDO};semop(semid, &sop, 1);
}// V 操作
void sem_v(int semid) {struct sembuf sop = {0, +1, SEM_UNDO};semop(semid, &sop, 1);
}int main() {key_t key = ftok(".", 'S');int semid = init_sem(key, 1);  // 初始化信号量为 1（互斥）if (fork() == 0) {// 子进程：尝试获取信号量sem_p(semid);printf("子进程获取信号量，开始执行...\n");sleep(2);  // 模拟占用资源sem_v(semid);} else {// 父进程：等待子进程释放信号量sleep(1);sem_p(semid);printf("父进程获取信号量，开始执行...\n");sem_v(semid);wait(NULL);semctl(semid, 0, IPC_RMID);  // 删除信号量集}return 0;
}

总结

System V 信号量是进程同步的强大工具，通过 PV 操作和信号量集实现复杂的资源管理。新手需重点掌握：

1. 信号量初始化（semget + semctl）；
2. PV 操作实现（semop 与 struct sembuf）；
3. 多信号量协作（如生产者 - 消费者问题中的互斥与资源计数）。
   实际开发中，结合共享内存、消息队列等 IPC 方式，可构建高效的进程间通信与同步方案。

四、消息队列

消息队列是 Linux 中一种灵活的进程间通信方式，允许进程以 “消息” 为单位进行数据交换。每个消息包含类型和内容，接收方可以根据类型选择性获取消息，适用于需要分类处理数据的场景（如日志系统、任务调度）。

1. 核心概念：从 “消息信封” 到分类通信

什么是消息队列？

• 本质：内核中维护的消息链表，每个消息由类型（长整型）和内容（用户自定义数据）组成。
• 核心特性：
  • 类型过滤：接收方可按消息类型（mtype）读取特定消息（如优先处理紧急消息）。
  • 异步解耦：发送方和接收方无需同时运行，消息持久化存储直到被读取（依赖内核，进程重启后消失）。
  • 多对多通信：多个进程可同时向队列写消息，多个进程可按类型读消息。

与管道 / FIFO 的区别

特性	消息队列	管道 / FIFO
数据单位	结构化消息（带类型）	字节流（无类型）
读取方式	按类型选择性读取	先进先出（FIFO）
进程关系	无亲缘限制	无名管道仅限亲缘进程
持久化	内核存储，进程退出不消失	内存 / 文件存储，关闭后消失

2. 关键函数：消息队列的全生命周期操作

函数 1：msgget — 创建 / 获取消息队列

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);

• 参数解释：
  • key：消息队列的唯一标识（通过 ftok 生成，或用 IPC_PRIVATE 创建私有队列）。
  • msgflg：
    • 权限标志：如 0666（读写权限）。
    • 创建标志：IPC_CREAT（不存在则创建）、IPC_EXCL（与 IPC_CREAT 合用，确保创建新队列）。
• 返回值：成功返回队列 ID（整数），失败返回 -1。

函数 2：msgsnd — 发送消息到队列

#include <sys/msg.h>
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

• 参数解释：
  • msqid：消息队列 ID（由 msgget 返回）。
  • msgp：指向消息结构体的指针（必须以长整型 mtype 开头）。
  • msgsz：消息体的大小（不包含 mtype，最大不超过系统限制，通常 4KB）。
  • msgflg：
    • 0：阻塞直到队列有空间。
    • IPC_NOWAIT：非阻塞，队列满时返回 -1。
• 返回值：成功 0，失败 -1。

函数 3：msgrcv — 从队列接收消息

#include <sys/msg.h>
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

• 参数解释：
  • msgtyp：期望的消息类型，支持三种模式：
    • 0：接收队列中的第一个消息（不考虑类型）。
    • >0：接收类型等于 msgtyp 的第一个消息。
    • <0：接收类型小于等于 msgtyp 绝对值的最小类型消息。
  • 其他参数同 msgsnd，msgflg 支持 IPC_NOWAIT（队列空时非阻塞）。
• 返回值：成功返回消息体大小，失败 -1。

函数 4：msgctl — 控制消息队列（删除、查询状态）

#include <sys/msg.h>
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

• 常用 cmd：
  • IPC_RMID：删除消息队列（立即标记为删除，后续操作拒绝）。
  • IPC_STAT：获取队列状态（存入 buf）。

3. 使用步骤：从创建到销毁，实现进程间消息交换

场景：非亲缘进程通信（客户端 - 服务器模式）

步骤 1：定义消息结构体（必须以 mtype 开头）

// common.h（共享头文件）
struct msgbuf {long mtype;       // 消息类型（自定义，如 1 表示请求，2 表示响应）char mtext[100];  // 消息内容（用户自定义数据）
};

步骤 2：服务器端 — 创建队列并接收消息

// server.c
#include "common.h"
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {key_t key = ftok(".", 'M');  // 生成唯一 keyint msqid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);  // 创建消息队列struct msgbuf msg;while (1) {// 接收类型为 1 的消息（客户端请求）msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 1, 0);printf("服务器收到消息：%s\n", msg.mtext);// 发送响应消息（类型 2）msg.mtype = 2;strcpy(msg.mtext, "服务器已收到消息");msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);}msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);  // 删除队列（实际场景中可能由特定条件触发）return 0;
}

步骤 3：客户端 — 发送请求并接收响应

// client.c
#include "common.h"
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {key_t key = ftok(".", 'M');int msqid = msgget(key, 0666);  // 获取已存在的队列struct msgbuf msg;strcpy(msg.mtext, "你好，服务器！");msg.mtype = 1;  // 发送类型 1 的请求消息msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);// 接收类型为 2 的响应消息msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 2, 0);printf("客户端收到响应：%s\n", msg.mtext);return 0;
}

步骤 4：编译运行（需先运行服务器）

gcc server.c -o server
gcc client.c -o client
./server &  # 后台运行服务器
./client     # 客户端发送消息并接收响应

4. 进阶用法：亲缘进程通信与消息类型过滤

场景：父子进程通过消息队列传递不同类型的状态信息

步骤 1：创建私有消息队列（IPC_PRIVATE）

c

int msqid = msgget(IPC_PRIVATE, IPC_CREAT | 0666);  // 生成仅当前进程可见的队列

步骤 2：父进程发送控制消息，子进程按类型处理

// 父进程（发送类型 1：开始任务，类型 2：终止任务）
pid_t pid = fork();
if (pid > 0) {struct msgbuf msg;msg.mtype = 1;strcpy(msg.mtext, "开始执行任务");msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);  // 发送开始命令sleep(2);msg.mtype = 2;strcpy(msg.mtext, "任务终止");msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0);  // 发送终止命令wait(NULL);
} else {struct msgbuf msg;while (1) {msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0, 0);  // 接收任意类型消息if (msg.mtype == 1) {printf("子进程：收到开始命令，执行任务...\n");} else if (msg.mtype == 2) {printf("子进程：收到终止命令，退出\n");exit(0);}}
}

关键点：

• IPC_PRIVATE 生成的队列需通过进程间共享的 ID（如通过管道或共享内存传递）实现通信。
• 子进程通过 msgtyp=0 接收所有类型消息，再根据 mtype 分支处理。

5. 消息队列操作最佳实践

（1）消息结构体设计

• 必须以 long mtype 开头，否则 msgrcv 无法正确解析消息类型。
• 消息体大小限制：避免超过系统限制（可通过 sysctl -a | grep msgmnb 查看，通常为 4096 字节）。

（2）阻塞与非阻塞模式选择

• 阻塞模式（默认）：适合同步场景（如客户端等待服务器响应）。
• 非阻塞模式（IPC_NOWAIT）：适合异步场景（如日志收集器不阻塞主线程）。

（3）队列清理

• 手动删除：通过 msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL) 或命令 ipcrm -q msqid（ipcs -q 查看队列 ID）。
• 避免内存泄漏：服务器进程退出前务必删除队列，或通过 atexit 注册清理函数。

（4）错误处理

• 队列满 / 空处理：发送时检查 msgsnd 返回值，接收时结合 errno == EAGAIN 判断非阻塞场景。

6. 完整示例：带错误处理的消息队列通信

// 错误处理增强版 client.c
#include "common.h"
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main() {key_t key = ftok(".", 'M');int msqid = msgget(key, 0666);if (msqid == -1) {perror("msgget failed");return 1;}struct msgbuf msg;strcpy(msg.mtext, "测试消息");msg.mtype = 1;// 发送消息，处理队列满的情况if (msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0) == -1) {if (errno == EAGAIN) {printf("队列已满，发送失败\n");} else {perror("msgsnd failed");}return 1;}// 接收响应，处理队列空的情况memset(&msg, 0, sizeof(msg));ssize_t n = msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 2, 0);if (n == -1) {perror("msgrcv failed");return 1;}printf("收到响应：%s\n", msg.mtext);return 0;
}

总结

消息队列是 Linux IPC 中 “结构化通信” 的首选，适合需要分类处理数据的场景。新手需重点掌握：

1. 消息结构体定义（以 mtype 开头）；
2. 按类型读取消息（msgrcv 的 msgtyp 参数）；
3. 队列的生命周期管理（创建、发送、接收、删除）。
   实际应用中，结合信号量实现队列操作的互斥，或与共享内存结合传输大数据，可构建更复杂的分布式通信系统。

五、共享内存

共享内存是 Linux 中最高效的进程间通信（IPC）方式，允许多个进程直接访问同一块物理内存区域。这种机制避免了数据在内核与用户空间之间的拷贝，特别适合高频、大数据量的通信场景（如实时视频处理、数据库缓存）。

1. 核心原理：从物理内存到虚拟地址映射

共享内存的底层机制

• 物理内存分配：通过 shmget 函数创建共享内存段时，内核为其分配一块物理内存区域。
• 虚拟地址映射：进程通过 shmat 函数将共享内存段映射到自身的虚拟地址空间，实现直接读写。
• 数据一致性：多个进程对共享内存的修改会直接反映到物理内存，其他进程无需额外操作即可看到变化。

与其他 IPC 机制的性能对比

机制	数据拷贝次数	上下文切换次数	适用场景
共享内存	0	0	高频、大数据量通信
管道 / FIFO	2	2	简单数据传输
消息队列	2	2	分类消息传递
套接字	2	2	跨主机通信

优势：共享内存直接在用户空间操作，无需内核干预，性能比其他机制提升数倍。

2. 关键函数：共享内存的全生命周期管理

函数 1：shmget — 创建 / 获取共享内存段

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

• 参数解析：
  • key：共享内存的唯一标识（可通过 ftok 生成，或用 IPC_PRIVATE 创建私有段）。
  • size：共享内存大小（实际分配按页对齐，如 4096 字节）。
  • shmflg：
    • 权限标志：如 0666（读写权限）。
    • 创建标志：IPC_CREAT（不存在则创建）、IPC_EXCL（与 IPC_CREAT 合用，确保创建新段）。
• 返回值：成功返回共享内存 ID，失败返回 -1。

函数 2：shmat — 映射共享内存到进程地址空间

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

• 参数解析：
  • shmid：共享内存 ID（由 shmget 返回）。
  • shmaddr：指定映射地址（通常设为 NULL，由内核自动选择）。
  • shmflg：
    • SHM_RDONLY：只读映射。
    • SHM_RND：若指定 shmaddr，地址按页对齐。
• 返回值：成功返回映射后的内存指针，失败返回 (void *)-1。

函数 3：shmdt — 解除内存映射

int shmdt(const void *shmaddr);

• 参数：shmaddr 为 shmat 返回的指针。
• 作用：断开进程与共享内存的映射，但不删除内存段。

函数 4：shmctl — 控制共享内存（删除、查询状态）

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

• 常用 cmd：
  • IPC_RMID：删除共享内存段（标记为删除，所有进程断开后释放）。
  • IPC_STAT：获取共享内存状态（存入 buf）。

3. 使用步骤：从创建到销毁，实现进程间数据共享

场景：父子进程通过共享内存交换数据

步骤 1：创建共享内存段并初始化

#include <sys/shm.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {key_t key = ftok(".", 'S');  // 生成唯一 keyint shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT | 0666);  // 创建 1KB 共享内存// 映射共享内存到进程地址空间char *shm_ptr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);if (shm_ptr == (char *)-1) {perror("shmat failed");return 1;}// 写入数据strcpy(shm_ptr, "Hello, shared memory!");// 解除映射（不删除内存段）shmdt(shm_ptr);// 创建子进程pid_t pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程重新映射共享内存char *child_ptr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);printf("子进程读取数据：%s\n", child_ptr);shmdt(child_ptr);return 0;} else {wait(NULL);// 父进程删除共享内存段shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);return 0;}
}

关键点：

• 父子进程同步：父进程先写入数据，子进程通过 wait 确保数据已写入。
• 内存清理：shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) 必须显式调用，否则共享内存段会残留（可用 ipcs -m 查看，ipcrm -m shmid 手动删除）。

4. 进阶用法：非亲缘进程通信与同步机制

场景：客户端 - 服务器通过共享内存交换数据（需信号量同步）

步骤 1：定义共享内存结构体（含信号量）

// common.h
struct shared_data {int flag;  // 同步标志（0：未写入，1：已写入）char buffer[1024];
};

步骤 2：服务器端 — 写入数据并通知客户端

// server.c
#include "common.h"
#include <sys/sem.h>int main() {// 创建共享内存key_t shm_key = ftok(".", 'S');int shmid = shmget(shm_key, sizeof(struct shared_data), IPC_CREAT | 0666);// 创建信号量（初始值 0）key_t sem_key = ftok(".", 'M');int semid = semget(sem_key, 1, IPC_CREAT | 0666);union semun { int val; } arg;arg.val = 0;semctl(semid, 0, SETVAL, arg);// 映射共享内存struct shared_data *shm_ptr = (struct shared_data *)shmat(shmid, NULL, 0);// 写入数据并通知客户端strcpy(shm_ptr->buffer, "服务器数据");shm_ptr->flag = 1;semop(semid, &(struct sembuf){0, 1, 0}, 1);  // V 操作，释放信号量shmdt(shm_ptr);return 0;
}

步骤 3：客户端 — 等待数据并读取

// client.c
#include "common.h"
#include <sys/sem.h>int main() {// 获取共享内存和信号量key_t shm_key = ftok(".", 'S');int shmid = shmget(shm_key, 0, 0);key_t sem_key = ftok(".", 'M');int semid = semget(sem_key, 0, 0);// 映射共享内存struct shared_data *shm_ptr = (struct shared_data *)shmat(shmid, NULL, 0);// 等待数据（P 操作）semop(semid, &(struct sembuf){0, -1, 0}, 1);printf("客户端读取数据：%s\n", shm_ptr->buffer);shmdt(shm_ptr);return 0;
}

关键点：

• 信号量同步：服务器通过 semop 释放信号量，客户端阻塞直到获取信号量。
• 权限管理：共享内存和信号量需设置相同的 key，确保进程间正确访问。

5. 共享内存操作最佳实践

（1）数据结构设计规范

• 避免动态内存分配：共享内存要求数据连续存储，禁止使用 std::string、std::vector 等动态容器，改用固定大小数组：

  struct Data {int id;char name[32];  // 固定长度字符串int data[100];   // 固定大小数组
  };
  

• 原子操作：对简单类型（如 int）可使用 std::atomic 保证操作原子性（需 C++11 支持）。

（2）错误处理与调试

• 内存映射失败：检查 shmat 返回值是否为 -1，并通过 perror 输出错误信息。
• 内存不足：shmget 可能因系统限制失败，需捕获 ENOSPC 错误。
• 调试命令：

  ipcs -m       # 查看系统共享内存段
  ipcrm -m 688  # 删除 ID 为 688 的共享内存段
  pmap -X 1234  # 查看进程 1234 的内存映射（含共享内存）
  

（3）性能优化

• 大页支持：通过 shmget 的 SHM_HUGETLB 标志申请大页内存（如 2MB），减少页表开销。
• 内存预分配：提前分配足够大的共享内存，避免频繁调整大小。

6. 对比与拓展：mmap 实现共享内存

场景：父子进程通过 mmap 实现匿名共享内存

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>int main() {int *shared_var = mmap(NULL, sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);if (shared_var == MAP_FAILED) {perror("mmap failed");return 1;}*shared_var = 42;  // 父进程写入数据pid_t pid = fork();if (pid == 0) {printf("子进程读取数据：%d\n", *shared_var);munmap(shared_var, sizeof(int));return 0;} else {wait(NULL);munmap(shared_var, sizeof(int));return 0;}
}

mmap 与 shmget 的区别

特性	shmget + shmat	mmap
底层实现	System V IPC	POSIX 内存映射
适用场景	任意进程间通信	亲缘进程或文件映射
同步机制	需手动实现（如信号量）	自动同步（基于文件）
内存释放	显式调用 shmctl	调用 munmap

7. 完整示例：带同步的共享内存通信

#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>// 定义共享内存结构体（含同步信号量）
struct shared_data {int value;int semid;  // 信号量 ID
};int main() {// 创建共享内存key_t shm_key = ftok(".", 'S');int shmid = shmget(shm_key, sizeof(struct shared_data), IPC_CREAT | 0666);struct shared_data *shm_ptr = (struct shared_data *)shmat(shmid, NULL, 0);// 创建信号量（初始值 0）key_t sem_key = ftok(".", 'M');shm_ptr->semid = semget(sem_key, 1, IPC_CREAT | 0666);union semun arg;arg.val = 0;semctl(shm_ptr->semid, 0, SETVAL, arg);// 写入数据并通知shm_ptr->value = 100;semop(shm_ptr->semid, &(struct sembuf){0, 1, 0}, 1);// 子进程读取数据pid_t pid = fork();if (pid == 0) {semop(shm_ptr->semid, &(struct sembuf){0, -1, 0}, 1);printf("子进程读取值：%d\n", shm_ptr->value);shmdt(shm_ptr);return 0;} else {wait(NULL);shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);semctl(shm_ptr->semid, IPC_RMID, NULL);return 0;}
}

总结

共享内存是 Linux IPC 的 “高速公路”，通过直接内存访问实现高性能通信。新手需重点掌握：

1. 函数调用流程：shmget → shmat → 读写 → shmdt → shmctl（删除）。
2. 同步机制：结合信号量或互斥锁确保数据一致性。
3. 性能优化：大页内存、预分配、避免动态数据结构。
   实际开发中，根据场景选择 shmget（通用）或 mmap（文件映射 / 亲缘进程），并配合调试工具（如 ipcs、pmap）排查问题。