进程之间怎么聊天？信号、管道、共享内存、Socket 大乱斗！

------ 小dora 操作系统学习笔记 Vol.5 · 进程通信篇（IPC）

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dora："我创建了两个进程，咋让它们对话？"

操作系统冷冷一笑："进程是天生孤独的，但我给你桥梁。"

本章目标是：让你轻松理解操作系统中**进程通信（Inter-Process Communication, IPC）**的几种典型方式------信号、管道、共享内存、Socket，并且知道什么时候该用谁，背后又是啥机制。

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🧠 一、进程为什么不能直接对话？

操作系统的"内存隔离机制"决定了：

• 每个进程都有独立的虚拟地址空间
• 你无法直接访问另一个进程的变量、堆或栈

所以：必须借助操作系统提供的"中介"来通信，这就是 IPC。

📌 巧记口诀：

"进程像独立公寓，交流靠物业搭电梯。"

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🔔 二、信号（Signal）：最基础的通信方式

信号本质上是一个"异步中断"，用于通知进程发生了某个事件。

常见信号：

信号编号	名称	含义
2	SIGINT	Ctrl+C 中断
9	SIGKILL	强制杀死进程
15	SIGTERM	请求终止进程
17/18/20	SIGCHLD	子进程退出通知

特点：

• 轻量级，无需共享资源
• 通信粒度小，不能传输数据（只能传 signal）

📌 常用于：中断处理、父子进程通知、定时任务

📌 巧记口诀：

"信号像微信提醒，只能告诉你'有事'，不能说'啥事'。"

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🧵 三、管道（Pipe）：标准 I/O 的串联通道

3.1 匿名管道

int pipe(int fd[2]);

• fd[0]：读端
• fd[1]：写端

用于具有亲缘关系的进程（如父子）

📌 示例：

$ ls | grep .txt

Shell 实际上：

• fork 出两个子进程
• 用 pipe 把 ls 的 stdout 和 grep 的 stdin 串起来

📌 特点：

• 单向
• 仅限父子进程

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3.2 命名管道（FIFO）

mkfifo mypipe

• 可用于任意两个进程（不一定有亲缘关系）
• 存在于文件系统中，类似设备文件

📌 巧记口诀：

"匿名管道像耳语，只能和亲人讲；命名管道像喇叭，大家都能听。"

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🧠 四、共享内存（Shared Memory）：最快的通信方式

"你不许动我空间，但我允许你搬来一起住。"

共享内存是多个进程共享一块物理内存区域：

int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT);
void* addr = shmat(shmid, NULL, 0);

优点：

• 不需要数据拷贝（零拷贝）
• 快到飞起，常用于实时系统、数据库、图像处理

缺点：

• 不安全，需额外同步机制（信号量、互斥锁）

📌 巧记口诀：

"共享内存像情侣合租，快是快，但吵架频繁要协调。"

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⚖️ 五、信号量（Semaphore）：共享内存的好搭档

• 本质：一个整型变量 + PV 操作
• 用于控制共享资源的访问顺序，避免竞态条件（race condition）

sem_wait(&sem);   // P操作，等待资源
sem_post(&sem);   // V操作，释放资源

📌 常与共享内存配合使用

📌 巧记口诀：

"你用锅我用铲，排好队不打架。"

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🌐 六、Socket 通信：远程/本地皆可聊

Socket 是最强大的 IPC：

• 可以进程内通信（UNIX 域 Socket）
• 也可以跨主机通信（TCP/IP）

socket() → bind() → listen() → accept()

或：在 Node.js 中这样写：

const net = require('net');
const server = net.createServer(socket => {
  socket.write('hello client');
});
server.listen(8080);

📌 巧记口诀：

"Socket 是全球通，跨城跨国都能通。"

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🔍 七、总结对比：选谁好？

方式	是否可跨主机	是否传数据	速度	使用场景
信号 Signal	否	否	快	中断、通知
管道 Pipe	否	✅	中	父子、串联任务
共享内存	否	✅✅	最快	数据库、实时系统
Socket	✅	✅	中等	网络通信、服务端

📌 巧记口诀：

"信号吼一声，管道说一句，内存放全文，Socket 发快递。"

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🧪 面试练习题

Q1：进程之间不能直接访问彼此内存的原因？

✅ 答案：虚拟地址空间隔离（保护性设计）

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Q2：哪种 IPC 方式最快？为何？

✅ 答案：共享内存；因无需拷贝、直接访问物理页

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Q3：Socket 为何可以跨主机？

✅ 答案：基于网络协议栈，使用 IP + 端口通信

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Q4：信号量是做什么用的？

✅ 答案：同步访问共享资源，防止竞态条件

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✅ 总结：

"进程各自为战，通信靠中介；哪种方式靠谱，还得看场景！"

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