进程通信与线程通信：全面总结 + 使用场景 + 优缺点 + 使用方法

文章目录

进程与线程的通信方式全面总结
[第一部分：线程通信（Thread Communication）](#第一部分：线程通信（Thread Communication）)
- [1. 全局变量共享（最简单方式）](#1. 全局变量共享（最简单方式）)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
  - [✔ 使用方法](#✔ 使用方法)
- [2. 互斥锁（Mutex）：解决互斥问题](#2. 互斥锁（Mutex）：解决互斥问题)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
  - [✔ 使用方法](#✔ 使用方法)
- [3. 信号量（Semaphore）：互斥 + 同步二合一](#3. 信号量（Semaphore）：互斥 + 同步二合一)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
  - [✔ 使用方法](#✔ 使用方法)
- [4. 条件变量（Condition Variable）](#4. 条件变量（Condition Variable）)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
  - [✔ 使用方法](#✔ 使用方法)
- [5. 读写锁（RWLock）](#5. 读写锁（RWLock）)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
  - [✔ 使用方法](#✔ 使用方法)
- [6. 屏障（Barrier）](#6. 屏障（Barrier）)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
  - [✔ 使用方法](#✔ 使用方法)
第二部分：进程通信（IPC）
- [1. 匿名管道（pipe）](#1. 匿名管道（pipe）)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
  - [✔ 使用方法](#✔ 使用方法)
- [2. 命名管道（FIFO）](#2. 命名管道（FIFO）)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
  - [✔ 使用方法](#✔ 使用方法)
- [3. 消息队列（Message Queue）](#3. 消息队列（Message Queue）)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
- [4. 共享内存（Shared Memory）：最快 IPC](#4. 共享内存（Shared Memory）：最快 IPC)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
  - [✔ 使用方法](#✔ 使用方法)
- [5. 信号量（semget / semop）](#5. 信号量（semget / semop）)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
- [6. 信号（signal）](#6. 信号（signal）)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
- [7. 套接字（socket）](#7. 套接字（socket）)
- - [① UNIX 域套接字 ------ 本地进程通信最快方式](#① UNIX 域套接字 —— 本地进程通信最快方式)
  - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 使用方法](#✔ 使用方法)
  - [② TCP/IP 套接字 ------ 支持跨机器通信](#② TCP/IP 套接字 —— 支持跨机器通信)
  - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
- [8. mmap 文件映射](#8. mmap 文件映射)
- - [✔ 使用场景](#✔ 使用场景)
  - [✔ 优点](#✔ 优点)
  - [✔ 缺点](#✔ 缺点)
第三部分：两者对比总结（非常重要）
最终总结（选择建议）
- [✔ 如果是线程之间通信：](#✔ 如果是线程之间通信：)
- [✔ 如果是进程之间通信：](#✔ 如果是进程之间通信：)

进程与线程的通信方式全面总结

（使用场景 + 优缺点 + 使用方式）

在 Linux 系统中，程序的并发执行通常依赖 进程（Process） 或 线程（Thread） 。

它们在运行时需要共享数据、协作执行，这就产生了：

进程间通信（IPC）
线程间通信（同步与共享数据）

本篇文章通过系统化的方式，为你总结所有通信方式、各自适用的场景、优缺点，并给出示例代码，帮助你快速掌握 Linux 下的并发编程。

第一部分：线程通信（Thread Communication）

线程共享同一进程空间，它们本身没有"通信"，而是共享变量 + 使用同步原语控制访问顺序。

线程通信的核心是：

✔ 共享内存

✔ 同步机制保证线程安全

常用方式如下：

1. 全局变量共享（最简单方式）

✔ 使用场景

多个线程共享某个变量（计数器、状态标志等）

✔ 优点

简单、自然、不需要系统调用
速度最快（线程共享内存）

✔ 缺点

必须使用锁保护
容易产生数据竞争（race condition）

✔ 使用方法

c 复制代码

int shared_value = 0;

void* worker(void* arg) {
    shared_value++;
    return NULL;
}

2. 互斥锁（Mutex）：解决互斥问题

✔ 使用场景

多线程访问共享资源时要保护临界区
解决：同时只有一个线程能执行关键代码

✔ 优点

机制简单
用途广泛、稳定可靠

✔ 缺点

使用不当容易造成死锁
不能解决同步（等待条件）问题

✔ 使用方法

c 复制代码

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_mutex_lock(&lock);
// 临界区
pthread_mutex_unlock(&lock);

3. 信号量（Semaphore）：互斥 + 同步二合一

✔ 使用场景

线程同步（例如生产者-消费者）
控制可同时访问资源的线程数量（计数信号量）

✔ 优点

能实现互斥，也能实现同步
支持计数，比 mutex 更灵活

✔ 缺点

比 mutex 更难理解
使用不当可能导致死锁

✔ 使用方法

c 复制代码

sem_t sem;
sem_init(&sem, 0, 1);

sem_wait(&sem);   // P 操作
// 临界区
sem_post(&sem);   // V 操作

4. 条件变量（Condition Variable）

✔ 使用场景

一个线程等待某个条件成立（如 shared_data > 0）
广泛用于生产者-消费者模型

✔ 优点

比忙等（while循环）高效
能使线程睡眠直到被唤醒

✔ 缺点

必须配合互斥锁使用
逻辑比 mutex 略复杂

✔ 使用方法

c 复制代码

pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_mutex_lock(&mutex);
while (shared_data == 0)
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

5. 读写锁（RWLock）

✔ 使用场景

多个线程需要同时读取共享数据（读多写少）

✔ 优点

允许多个线程读，提高并发度
写操作仍然保证互斥

✔ 缺点

写锁容易饥饿
使用复杂度比 mutex 高

✔ 使用方法

c 复制代码

pthread_rwlock_t rwlock;

pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);
// 读操作
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

6. 屏障（Barrier）

✔ 使用场景

一组线程需要在某个同步点汇合，然后一起继续执行

✔ 优点

解决"一次性全体同步"问题
在多阶段算法中常用（并行计算）

✔ 缺点

不常用于业务逻辑
使用起来稍复杂

✔ 使用方法

c 复制代码

pthread_barrier_t barrier;
pthread_barrier_init(&barrier, NULL, thread_num);

pthread_barrier_wait(&barrier);

第二部分：进程通信（IPC）

进程完全隔离，不共享内存，因此需要借助内核的 IPC 机制交换数据。

按难度从简单到复杂排列：

1. 匿名管道（pipe）

✔ 使用场景

父子进程通信
shell 的 ls | grep 就是管道

✔ 优点

简单易用
单向数据流很适合流水线处理

✔ 缺点

只能用于父子进程
单向流动、不能同时双向发

✔ 使用方法

c 复制代码

int fd[2];
pipe(fd);
write(fd[1], "hello", 5);
read(fd[0], buf, 5);

2. 命名管道（FIFO）

✔ 使用场景

任意两个进程通信
简单客户端-服务端模型

✔ 优点

支持无关进程通信
API 简单

✔ 缺点

同样是单向
不适合彩信大量数据

✔ 使用方法

c 复制代码

mkfifo("myfifo", 0666);
int fd = open("myfifo", O_WRONLY);
write(fd, "hi", 2);

3. 消息队列（Message Queue）

✔ 使用场景

多个进程之间发送消息
适合小型命令通信（非大量数据）

✔ 优点

有消息边界，不会出现黏包问题
内核管理消息队列，稳定可靠

✔ 缺点

队列大小有限制
不适合大量数据传输

4. 共享内存（Shared Memory）：最快 IPC

✔ 使用场景

大量数据交换（视频、音频、图片等）
性能要求极高的应用

✔ 优点

最快的 IPC（几乎零开销）
数据直接在同一块内存中共享

✔ 缺点

必须使用同步机制（如信号量）
编程复杂度略高

✔ 使用方法

c 复制代码

int shmid = shmget(1234, 1024, 0666|IPC_CREAT);
char* mem = shmat(shmid, NULL, 0);
// 读写 mem 即可

5. 信号量（semget / semop）

✔ 使用场景

进程间同步（配合共享内存）
避免多个进程同时访问共享资源

✔ 优点

操作非常高效
跨进程同步能力强

✔ 缺点

只能做同步，不传数据
使用略复杂

6. 信号（signal）

✔ 使用场景

进程间发送异步事件（比如 kill 通知）

✔ 优点

实现简单
适合发送控制指令（终止进程）

✔ 缺点

只能传递简单事件
不适合传输数据

7. 套接字（socket）

分两种：

① UNIX 域套接字 ------ 本地进程通信最快方式

✔ 使用场景

本地客户端-服务端
Nginx、Docker、MySQL 常用

✔ 优点

和 TCP 几乎一样，但更快
使用文件路径作为地址

✔ 使用方法

c 复制代码

int sock = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
bind(sock, ... "/tmp/test.sock");

② TCP/IP 套接字 ------ 支持跨机器通信

✔ 使用场景

网络程序必须用它（Web 服务器、聊天程序）

✔ 优点

可跨主机通信
API 通用、功能强大

✔ 缺点

效率比 UDS 和共享内存低
涉及网络协议栈处理

8. mmap 文件映射

✔ 使用场景

文件共享数据
多进程共享内存但使用文件作为底层媒介

✔ 优点

实现共享内存的另一种方式
适合大量数据

✔ 缺点

需要文件系统支持
不适合频繁的同步操作

第三部分：两者对比总结（非常重要）

通信类型	适用对象	速度	是否共享内存	工程常用性
线程通信	同一进程内线程	🚀 非常快	✔ 是	极常用
进程通信	完全独立的进程	⚡ 中等	❌ 否	常用

最终总结（选择建议）

✔ 如果是线程之间通信：

优先选择：

复制代码

共享变量 → mutex → cond → sem → rwlock

✔ 如果是进程之间通信：

顺序建议如下：

复制代码

大量数据 → 共享内存（最快）
本地通信 → UNIX 域套接字
跨主机 → TCP/IP socket
简单消息 → 队列
通知事件 → signal
父子进程 → pipe