进程间通信（IPC）常用方式对比

🌟 1. IPC 简介

进程间通信（IPC）是操作系统中不同进程之间交换数据的机制，广泛用于多进程应用（如客户端-服务器模型、系统服务通信）。以下对比五种常见 IPC 方式：LocalSocket（Unix 域套接字）、管道、消息队列、共享内存和信号。

🚀 2. 常用 IPC 方式

🚀 2.1 LocalSocket（Unix 域套接字）

• 原理 ：

  • 基于 Unix 域套接字，通过内核缓冲区在本地进程间传递数据。
  • 支持流式（SOCK_STREAM，类似 TCP）和数据报（SOCK_DGRAM，类似 UDP）模式。
  • 使用文件路径或抽象命名空间作为通信端点，支持文件描述符传递。

• C++ 示例 ：

  #include <sys/socket.h>
  #include <sys/un.h>
  #include <unistd.h>
  #define SOCKET_PATH "/tmp/mysocket"
  int server_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
  struct sockaddr_un addr = {AF_UNIX, SOCKET_PATH};
  bind(server_fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
  listen(server_fd, 5);
  int client_fd = accept(server_fd, nullptr, nullptr);
  char buf[1024] = {0};
  recv(client_fd, buf, sizeof(buf), 0);

🚀 2.2 管道（Pipe）

• 原理 ：

  • 提供单向数据流，分为匿名管道（父子进程）和命名管道（FIFO，任意进程）。
  • 匿名管道通过 pipe 系统调用创建，数据通过内核缓冲区传输。
  • 命名管道使用文件系统路径，支持非亲缘进程通信。

• C++ 示例 ：

  #include <unistd.h>
  int fd[2];
  pipe(fd); // 创建匿名管道
  if (fork() == 0) { // 子进程
      close(fd[0]);
      write(fd[1], "Hello", 5);
  } else { // 父进程
      close(fd[1]);
      char buf[1024];
      read(fd[0], buf, sizeof(buf));
  }

🚀 2.3 消息队列（Message Queue）

• 原理 ：

  • 通过内核维护的消息队列传递离散消息，每个消息有类型和数据。
  • 支持任意进程通信，消息按类型或顺序读取。
  • System V 或 POSIX 实现，POSIX 更现代。

• C++ 示例 ：

  #include <mqueue.h>
  mqd_t mq = mq_open("/myqueue", O_CREAT | O_RDWR, 0644, nullptr);
  char buf[1024] = "Hello";
  mq_send(mq, buf, strlen(buf), 0); // 发送
  char recv_buf[1024];
  mq_receive(mq, recv_buf, sizeof(recv_buf), nullptr); // 接收

🚀 2.4 共享内存（Shared Memory）

• 原理 ：

  • 多个进程映射同一块内存区域，直接读写数据。
  • 需配合信号量或锁机制确保同步。
  • System V 或 POSIX 实现，性能最高但复杂性高。

• C++ 示例 ：

  #include <sys/shm.h>
  int shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, IPC_CREAT | 0666);
  char* shared_mem = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);
  strcpy(shared_mem, "Hello"); // 写
  printf("%s\n", shared_mem); // 读
  shmdt(shared_mem);

🚀 2.5 信号（Signal）

• 原理 ：

  • 异步通知机制，进程通过信号（如 SIGUSR1）触发特定动作。
  • 信号由内核传递，接收进程执行预定义的信号处理函数。
  • 适合事件通知，不适合大数据传输。

• C++ 示例 ：

  #include <signal.h>
  void handler(int sig) { printf("Received signal %d\n", sig); }
  signal(SIGUSR1, handler);
  pid_t pid = fork();
  if (pid == 0) {
      kill(getppid(), SIGUSR1); // 子进程发送信号
  }

📊 3. IPC 方式对比

特性	LocalSocket	管道	消息队列	共享内存	信号
性能	高（内核缓冲区，接近共享内存）	中等（内核缓冲区）	中等（内核队列）	最高（直接内存访问）	低（仅传递信号）
通信方向	双向	单向（匿名管道）/双向（FIFO）	双向	双向	单向（通知）
可靠性	流式可靠，数据报不可靠	可靠	可靠	可靠（需同步机制）	不可靠（可能丢失）
复杂性	中等（需管理连接/地址）	低（简单 API）	中等（需管理队列）	高（需同步机制）	低（简单通知）
数据量	适合中小数据，支持文件描述符	适合中小数据	适合中小数据	适合大数据	仅适合事件通知
适用场景	本地客户端-服务器通信、Android 系统服务	父子进程通信、简单数据流	复杂消息传递	高性能大数据共享	异步事件通知
权限控制	文件权限/SELinux	文件权限（FIFO）	队列权限	内存权限	进程权限
跨设备支持	否	否	否	否	否

✅ 4. 优缺点分析

✅ 4.1 LocalSocket（Unix 域套接字）

• 优点 ：
  • 高效：内核缓冲区传输，接近共享内存性能。
  • 灵活：支持流式（可靠）和数据报（快速）模式，支持文件描述符传递。
  • 安全：文件权限或抽象命名空间控制访问。
• 缺点 ：
  • 仅限本地通信，需管理套接字地址。
  • 数据报模式需应用层确保可靠性。

✅ 4.2 管道

• 优点 ：
  • 简单易用，适合父子进程或简单数据流。
  • 匿名管道无需文件系统，命名管道支持非亲缘进程。
• 缺点 ：
  • 单向通信（匿名管道），双向需多个管道或 FIFO。
  • 数据量受内核缓冲区限制。

✅ 4.3 消息队列

• 优点 ：
  • 支持离散消息，适合复杂消息传递。
  • 可靠传输，消息按类型或顺序读取。
• 缺点 ：
  • 性能低于共享内存，队列大小有限。
  • API 较复杂，需管理队列。

✅ 4.4 共享内存

• 优点 ：
  • 最高性能，直接内存读写，适合大数据。
  • 灵活，进程可自由访问共享区域。
• 缺点 ：
  • 复杂，需信号量或锁同步。
  • 调试困难，易出现竞争条件。

✅ 4.5 信号

• 优点 ：
  • 简单，适合异步事件通知（如终止进程、状态变化）。
  • 轻量，无需大量数据传输。
• 缺点 ：
  • 仅传递信号编号，无法传输复杂数据。
  • 信号可能丢失，需额外机制确保可靠性。

⚠️ 5. 注意事项

• 选择依据 ：
  • LocalSocket：适合可靠的双向通信或 Android 系统服务。
  • 管道：适合简单父子进程通信或单向数据流。
  • 消息队列：适合需要消息优先级或复杂消息管理的场景。
  • 共享内存：适合高性能大数据传输，但需同步机制。
  • 信号：适合简单事件通知。
• 权限管理：确保通信端点（如文件路径、队列）具有适当权限，防止未授权访问。
• 错误处理 ：检查系统调用返回值（如 read、write、send），处理连接中断或超时。
• 清理资源：通信结束后关闭文件描述符、删除套接字文件或销毁共享内存。

🔗 6. 扩展建议

• LocalSocket ：实现文件描述符传递（sendmsg）或非阻塞 IO（select/epoll）。
• 管道 ：结合 fork 和 exec 实现进程间流水线。
• 消息队列 ：使用 POSIX 消息队列（mq_open）支持优先级。
• 共享内存 ：配合信号量（sem_open）或互斥锁实现同步。
• 信号 ：结合信号集（sigset_t）处理多种信号。