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Linux进程间的通信

news 来源：原创 2025/8/22 3:05:22

IPC 即 Inter-Process Communication，也就是进程间通信，它指的是在不同进程之间进行数据交换和协调同步的机制。在操作系统里，每个进程都有自己独立的内存空间，一般情况下不能直接访问其他进程的内存，所以需要借助 IPC 机制来实现进程间的信息交互与协作。

进程间通信常用的几种方式

1.管道通信：有名管道，无名管道

2.消息队列

3.共享内存

4.信号量

5.套接字

管道

管道的本质是内核中的一块缓冲区，它在内核空间中开辟了一段连续的内存区域，用于存储进程间传输的数据。在用户程序看来，管道表现为一对文件描述符，一个用于读操作，另一个用于写操作，进程可以像操作普通文件一样对管道进行读写操作，但实际上数据是在内存中的缓冲区里进行传输的。

匿名管道

数据传输：当一个进程向管道的写端写入数据时，数据会被复制到内核的管道缓冲区中；另一个进程从管道的读端读取数据时，数据会从管道缓冲区复制到该进程的用户空间。
亲缘关系要求：匿名管道只能用于具有亲缘关系的进程之间，如父子进程。这是因为创建管道后，只有创建管道的进程及其子进程才能访问这对文件描述符，其他进程无法获取这些文件描述符，也就无法访问该管道。

创建

匿名管道通过 pipe() 系统调用创建。pipe() 函数会在内核中创建一个管道，并返回两个文件描述符，一个是读端文件描述符（通常用 fd[0] 表示），另一个是写端文件描述符（通常用 fd[1] 表示）

#include <unistd.h>int pipe(int fd[2])/*fd‐传出参数：fd[0]‐读端fd[1]‐写端返回值：0：成功‐1：创建失败*/

管道的读写

读操作
有数据
read(fd[1]) 正常读，返回读出的字节数
无数据
写端被全部关闭，read返回0，相当于读文件到了尾部
没有全部关闭，read阻塞

写操作
读端全部关闭
管道破裂，进程被终止
内核给当前进程发送信号SIGPIPE-13，默认处理动作
读端没全部关闭
缓冲区写满了，write阻塞
缓冲区没满，write继续写，直到写满，阻塞

如何设置非阻塞？

在管道的读写操作中，默认情况下是阻塞模式，即当管道没有数据可读或者管道已满无法写入时，相应的读或写操作会使进程阻塞等待。不过，你可以将管道设置为非阻塞模式，在这种模式下，当无法进行读写操作时，操作会立即返回而不会阻塞进程。

fcntl-变参函数

复制文件描述符-dup
修改文件属性-open的时候对应flag属性

设置方法

//获取原来的flags
int flags = fcntl(fd[0],F_GETFL);//设置新的flags
flags |=O_NONBLOCK;//将新的flags设置给文件描述符
fcntl(fd[0],F_SETFL,flags)；

查看管道缓冲区的大小

命令
ulimit -a

函数
fpathconf

long size = fpathconf(fd[1],_PC_PIPE_BUF);printf("size is %ld\n",size);

举例：

父子进程使用管道通信
实现 ps aux| grep "bash"

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main()
{int ret;int fd[2];ret = pipe(fd);if(ret == -1){printf("create pipe failed!\n");exit(1);}pid_t pid;pid = fork();if(pid == -1){printf("fork failed!\n");exit(1);}//ps auxif(pid>0){close(fd[0]);dup2(fd[1],STDOUT_FILENO);//数据重定向execlp("ps","ps","aux",NULL);perror("execlp");exit(1);}//grep "hash"else if(pid == 0){close(fd[1]);dup2(fd[0],STDIN_FILENO);execlp("grep","grep","bash","--color=auto",NULL);}//      long size = fpathconf(fd[1],_PC_PIPE_BUF);
//      printf("size is %ld\n",size);printf("pipe[0] is %d\n",fd[0]);printf("pipe[1] is %d\n",fd[1]);close(fd[0]);close(fd[1]);return 0;
}

有名管道

数据传输：与匿名管道类似，进程通过打开这个 FIFO 文件来获取管道的文件描述符，然后进行读写操作。数据同样是在内核的管道缓冲区中进行传输。
无亲缘关系限制：命名管道可以在任意两个进程之间使用，因为它有一个文件系统中的路径名，不同的进程可以通过该路径名打开同一个 FIFO 文件来访问管道。

创建

有名管道通过 mkfifo() 函数创建，它会在文件系统中创建一个特殊类型的文件（FIFO 文件）。这个文件并不实际存储数据，只是作为一个访问管道的接口。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>int mkfifo(const char \*filename,mode_t mode);/*功能：创建管道文件参数：管道文件文件名，权限，创建的文件权限仍然和umask有关系。返回值：创建成功返回0，创建失败返回-1。*/

fifo文件可以使用io函数进程操作：open/close、read/write
不能执行lseek操作

有名管道的读写

读：

int main()
{int ret,fd,nread;char readBuff[50] = {0};ret = mkfifo("/home/cc/ipc/myfifo",0755);if(ret == -1 ){return -1;}printf("create fifo success!\n");fd = open("./myfifo",O_RDONLY);if(fd < 0){printf("open fifo  failed!\n");return -1;}printf("open fifo success!\n");nread = read(fd,readBuff,50);printf("read %d byte from fifo %s:\n ",nread,readBuff);close(fd);return 0;
}

写：

int main()
{int fd;char *str = "hello world!";fd = open("./myfifo",O_WRONLY);if(fd < 0){printf("open fifo  failed!\n");return -1;}printf("open fifo success!\n");write(fd,str,strlen(str));close(fd);return 0;
}

消息队列

特点：

消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级
消息队列独立于发送和接收进程，进程终止时，消息队列及其内容仍存在
消息队列可以实现消息的随机查询，消息不一定要先进先出的次序读取，也可以按消息的类型读取。

共享内存

概念：

共享内存（Shared Memory）就是允许多个进程访问同一个内存空间，是在多个进程之间共享和传递数据最高效的方式。操作系统将不同进程之间共享内存安排为同一段物理内存，进程可以将共享内存连接到它们自己的地址空间中，如果某个进程修改了共享内存中的数据，其它的进程读到的数据也将会改变。

特点：

1.共享内存创建之后，一直存在于内核中，直到被删除或系统关闭
2.共享内存和管道不一样，读取后，内容仍然在共享内存中

信号

信号通信，其实就是内核向用户空间进程发送信号，只有内核才能发信号，用户空间进程不能发送信号。
使用命令"kill -l"可以看到内核可以发送的信号

信号通信的框架
信号的发送（发送信号进程）：kill、raise、alarm
信号的接收（接收信号进程） : pause()、 sleep、 while(1)
信号的处理（接收信号进程） :signal

1.信号的发送（发送信号进程）

kill

#include<signal.h>
#include<sys/types.h>
int kill(pid_t pid, int sig);/*参数：
函数传入值：pid
正数：要接收信号的进程的进程号
0：信号被发送到所有和pid进程在同一个进程组的进程
‐1：信号发给所有的进程表中的进程(除了进程号最大的进程外)
sig：信号
函数返回值：成功 0 出错 ‐1*/

2.发信号给自己

raise: 发信号给自己 == kill(getpid(), sig)

#include<signal.h>
#include<sys/types.h>int raise(int sig);/*参数：
函数传入值：sig：信号
函数返回值：
成功 0 出错 ‐1*/

3.发送闹钟信号

alarm 与 raise 函数的比较：
相同点：让内核发送信号给当前进程
不同点：
alarm 只会发送SIGALARM信号
alarm 会让内核定时一段时间之后发送信号， raise会让内核立刻发信号

#include <unistd.h>unsigned int alarm(unsigned int seconds)/*参数：
seconds：指定秒数
返回值：成功：如果调用此alarm()前，进程中已经设置了闹钟时间，则返回上一个闹钟时间的剩余时间，否则返回0。出错：‐1*/

4.信号的接收

pause 函数的作用是让调用进程暂停执行，直至收到一个能终止该进程或者使进程调用信号处理函数的信号

#include <unistd.h>int pause(void);//函数返回值 成功：0，出错：‐1

5.信号的处理

收到信号的进程，处理的方式：
1.进程的默认处理方式（内核为用户进程设置的默认处理方式）
A：忽略 B：终止进程 C: 暂停
2.自己的处理方式：
自己处理信号的方法告诉内核，这样你的进程收到了这个信号就会采用你自己的的处理方式

#include <signal.h>void (*signal(int signum, void (*handler)(int)))(int);/*参数
signum：指定信号
handlerSIG_IGN：忽略该信号。SIG_DFL：采用系统默认方式处理信号自定义的信号处理函数指针
函数返回值:成功：设置之前的信号处理方式出错：‐1
signal函数有二个参数，第一个参数是一个整形变量（信号值），
第二个参数是一个函数指针，是我们自己写的处理函数；
这个函数的返回值是一个函数指针*/

信号量

信号量集合（可以包含多个信号量）IPC对象是一个信号的集合（多个信号量）

1.创建或者获取一个信号量集

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semget(key_t key, int nsems, int semflg);/*函数参数：
key：和信号量集关联的key值
nsems: 信号量集中包含的信号量数目
semflg：信号量集的访问权限
函数返回值：成功：信号量集ID出错：‐1*/

2.控制信号量集

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);/*函数参数：
semid：信号量集ID
semnum: 要修改的信号量集中信号量编号
cmd :GETVAL：获取信号量的值SETVAL：设置信号量的值IPC_RMID：从系统中删除信号量集合
函数返回值：成功：0出错：‐1*//*在使用可变参数时，通常需要一个 union semun 类型的参数，该联合体的定义如下：
union semun {int  val;                //Value for SETVAL struct semid_ds *buf;    //Buffer for IPC_STAT, IPC_SETunsigned short  *array;  //Array for GETALL, SETALL struct seminfo  *__buf;  //Buffer for IPC_INFO(Linux-specific) 
};*/

参数说明：

semid
这是信号量集的标识符，由 semget 函数返回。它用于唯一标识要操作的信号量集。
semnum
表示信号量集中要操作的信号量的编号，编号从 0 开始。如果 cmd 命令不涉及特定的信号量（如 IPC_STAT、IPC_RMID 等），则该参数会被忽略。
cmd
这是一个整数，指定要执行的操作命令，常见的命令如下：
SETVAL：将信号量集中指定编号的信号量的值设置为 arg.val。
GETVAL：获取信号量集中指定编号的信号量的当前值。
SETALL：将信号量集中所有信号量的值设置为 arg.array 数组中的值。
GETALL：将信号量集中所有信号量的当前值存储到 arg.array 数组中。
IPC_STAT：获取信号量集的状态信息，并将其存储在 arg.buf 指向的 struct semid_ds 结构体中。
IPC_SET：将 arg.buf 指向的 struct semid_ds 结构体中的信息设置为信号量集的新状态。
IPC_RMID：删除指定的信号量集，此时 semnum 和 arg 参数会被忽略。
...（可变参数）
这是一个可变参数，根据 cmd 命令的不同，需要传递不同类型的 union semun 参数。如果 cmd 命令不需要额外的参数（如 IPC_RMID），则可以不传递该参数。

返回值：
若操作成功，不同的 cmd 命令会有不同的返回值：
对于 GETVAL 命令，返回指定信号量的当前值。
对于 GETALL 命令，返回 0。
对于 IPC_STAT、IPC_SET、SETVAL、SETALL、IPC_RMID 等命令，返回 0 表示操作成功。
若操作失败，返回 -1，并设置 errno 以指示错误类型。

PV操作

P 操作（申请资源）
功能：P 操作用于申请资源，当一个进程执行 P 操作时，它会尝试获取一个资源。
执行过程：
首先将信号量的值减 1。
检查信号量的值：
如果信号量的值大于等于 0，说明有可用资源，进程可以继续执行。
如果信号量的值小于 0，说明没有可用资源，进程会被阻塞，进入等待队列，直到有其他进程释放资源。
V 操作（释放资源）
功能：V 操作用于释放资源，当一个进程执行 V 操作时，它会释放一个资源。
执行过程：
首先将信号量的值加 1。
检查信号量的值：
如果信号量的值小于等于 0，说明有进程在等待该资源，会唤醒等待队列中的一个进程。
如果信号量的值大于 0，说明没有进程在等待该资源，进程继续执行。

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);/*参数：
semid : 信号量的标识码。也就是semget（）的返回值
sops是一个指向结构体数组的指针。
struct sembuf
{unsigned short sem_num；//信号量编号；short sem_op;   //对该信号量的操作。‐1 ，P操作，1 ，V操作short sem_flg;  //0阻塞，1非阻塞
};
nsops: 操作信号量的个数
返回值：如果操作成功，semop 函数返回 0。如果操作失败，返回 -1 */

管道

匿名管道

创建

管道的读写

如何设置非阻塞？

查看管道缓冲区的大小

有名管道

创建

有名管道的读写

消息队列

相关函数

1.创建或打开消息队列

2.发送消息

3.接收消息

4.控制消息队列

5.ftok函数

共享内存

相关函数

1.获取或创建共享内存

2.把共享内存连接映射到当前进程的地址空间

3.将进程里的地址映射删除

4.删除共享内存对象

信号