进程间通信（IPC，Inter-Process Communication） 是指操作系统中多个独立进程之间交换数据、传递信号或同步执行的机制。由于进程拥有独立的地址空间，无法直接访问彼此的内存，因此需要操作系统提供专门的 IPC 方式。
常见的进程间通信方式
1. 管道（Pipe）
原理
- 半双工的通信信道，数据只能单向流动，通常用于父子进程或兄弟进程之间的通信。
分类
- 匿名管道：临时的内核缓冲区，生命周期随进程结束而消失，只能用于有亲缘关系的进程。
- 命名管道（FIFO）：以文件形式存在于文件系统中，无亲缘关系的进程也可通过路径名访问，支持双向通信。
特点
- 简单易用，适合少量数据传输；不支持随机访问，数据读取后会从管道中删除。
2. 信号（Signal）
原理
- 操作系统向进程发送的异步通知，用于告知进程发生了某个事件（如中断、异常、用户指令）。
常见信号
- SIGINT（终止进程，对应Ctrl+C）、SIGKILL（强制杀死进程，无法捕获）、SIGUSR1/SIGUSR2（用户自定义信号）。
特点
- 传递信息量少，仅能传递信号编号；异步处理，进程可选择捕获、忽略或默认处理信号。
3. 消息队列（Message Queue）
原理
- 内核维护的链表结构，进程可以向队列中添加消息，也可以从队列中读取消息，支持无亲缘关系进程通信。
特点
- 消息有类型和优先级，可按类型读取，不必遵循先进先出。
- 生命周期随内核，重启系统后消息队列会消失。
- 相比管道，支持更灵活的数据传输，但存在最大消息长度和队列容量限制。
4. 共享内存（Shared Memory）
原理
- 操作系统在内存中开辟一块共享区域，多个进程可直接映射到自己的地址空间，直接读写该区域数据。
特点
- 最快的 IPC 方式：无需内核中转数据，进程直接访问内存。
- 需要同步机制（如信号量）：防止多个进程同时读写导致数据竞争。
- 生命周期随内核，需手动删除共享内存段。
5. 信号量（Semaphore）
原理
- 本质是一个计数器，用于进程同步与互斥，而非直接传输数据。
核心操作
- P操作：计数器减 1，若小于 0 则进程阻塞。
- V操作：计数器加 1，若小于等于 0 则唤醒阻塞进程。
应用场景
- 保护共享资源（如共享内存、打印机），实现临界区互斥访问。
6. 套接字（Socket）
原理
- 用于跨网络或同一主机的进程通信，是 TCP/IP 协议的编程接口，支持不同主机、不同操作系统的进程通信。
分类
- 流式套接字（SOCK_STREAM）：基于 TCP 协议，面向连接、可靠传输。
- 数据报套接字（SOCK_DGRAM）：基于 UDP 协议，无连接、不可靠传输。
特点
- 通用性强，支持跨主机通信，但通信开销相对较高。
各类 IPC 方式的对比
|------|-----------------|----------|---------------|
| 通信方式 | 适用场景 | 优点 | 缺点 |
| 匿名管道 | 父子进程、少量数据单向传输 | 简单、开销小 | 半双工、仅亲缘进程可用 |
| 命名管道 | 无亲缘进程、单向 / 双向传输 | 可跨进程、简单 | 不支持随机访问 |
| 信号 | 异步事件通知 | 轻量、异步 | 信息量少、无法传递复杂数据 |
| 消息队列 | 无亲缘进程、多优先级数据 | 按类型读取、灵活 | 有容量限制、速度一般 |
| 共享内存 | 大量数据、高速传输 | 速度最快 | 需要同步机制、易数据竞争 |
| 信号量 | 进程同步、互斥 | 高效协调进程 | 不能传输数据 |
| 套接字 | 跨主机、跨系统通信 | 通用性极强 | 开销较高、协议复杂 |
核心注意事项
- 同步与互斥：使用共享内存、消息队列等方式时，需避免多个进程同时操作资源，常用信号量或互斥锁实现同步。
- 生命周期管理：命名管道、共享内存、消息队列等资源不会随进程结束自动销毁，需手动释放，否则会造成资源泄漏。
- 数据可靠性：TCP 套接字、管道、消息队列提供可靠传输；UDP 套接字、信号不保证数据可达。
匿名管道
核心概念
匿名管道是操作系统在内核中创建的一块临时缓冲区，只能用于有亲缘关系的进程（比如父子进程、兄弟进程）之间的通信，它没有文件系统路径，生命周期随进程结束而消失，是最基础的 IPC 方式之一。
核心特点
- 半双工：数据只能单向流动（默认），如需双向通信需创建两个管道。
- 亲缘限制：仅父子 / 兄弟进程可用（因为匿名管道没有路径，只能通过 fork 继承文件描述符）。
- 阻塞特性：读管道时若无数据会阻塞，写管道时若缓冲区满会阻塞。
- 数据一次性：数据被读取后会从管道中删除，无法重复读取。
匿名管道的使用步骤（Linux 环境）
1. 创建管道
使用pipe()函数创建管道，会返回两个文件描述符：
- fd[0]：只读端，用于读取管道数据。
- fd[1]：只写端，用于写入管道数据。
2. 创建子进程
通过fork()创建子进程，子进程会继承父进程的管道文件描述符。
3. 关闭无用端
- 父进程若只写数据：关闭fd[0]，保留fd[1]。
- 子进程若只读数据：关闭fd[1]，保留fd[0]。
4. 进程间通信
父 / 子进程通过保留的文件描述符读写管道，完成数据传输。
5. 关闭管道
通信结束后关闭剩余的文件描述符。
关键知识点解释
- pipe () 函数：pipe(int fd[2]) 成功返回 0，失败返回 - 1，创建的管道文件描述符默认是阻塞的。
- fork () 继承性：子进程会完全复制父进程的文件描述符表，因此父子进程都能访问pipe_fd[0]和pipe_fd[1]，这是匿名管道能通信的核心。
- 关闭无用端的必要性：如果不关闭，读进程会一直阻塞（因为内核认为还有进程可能写数据），比如父进程不关闭fd[0]，子进程读完数据后read()不会返回 0，而是一直等。
- 双向通信实现：只需创建两个管道（pipe1和pipe2），父进程用pipe1写、pipe2读，子进程用pipe1读、pipe2写即可。
有名管道
核心概念
有名管道（First In First Out）也叫命名管道，是一种特殊的文件类型（在 Linux 下用ls -l查看会显示p标识），它以文件路径的形式存在于文件系统中，这使得无亲缘关系的进程也能通过访问这个文件路径来实现通信，弥补了匿名管道只能用于父子 / 兄弟进程的不足。
核心特点
- 半双工通信（默认单向，可通过创建两个 FIFO 实现双向）
- 遵循先进先出原则，数据读取后会从管道中删除
- 基于文件系统标识，无亲缘关系进程可通信
- 操作方式和普通文件类似（open/read/write/close），但本质是内核缓冲区，不占用磁盘空间
有名管道的使用步骤（Linux 环境）
- 创建 FIFO
- 命令行创建：mkfifo /tmp/my_fifo
- 代码创建：使用mkfifo()函数
- 通信流程
- 写进程 ：以只写模式
O_WRONLY打开 FIFO，向其中写入数据 - 读进程 ：以只读模式
O_RDONLY打开 FIFO，从其中读取数据 - 注意：打开 FIFO 是阻塞操作------ 读进程会阻塞直到有写进程打开 FIFO，反之亦然
关键知识点解释
- mkfifo () 函数：mkfifo(path, mode) 创建 FIFO 文件，mode是文件权限（0666 表示所有用户可读可写），如果文件已存在会报错，实际开发中可先判断文件是否存在。
- 阻塞特性：默认情况下，open(FIFO, O_RDONLY) 会阻塞直到有进程以写模式打开；open(FIFO, O_WRONLY) 会阻塞直到有进程以读模式打开。如果想非阻塞打开，可加O_NONBLOCK标志。
- 数据读取：read()函数会阻塞直到 FIFO 中有数据，当写进程关闭 FIFO 时，read()会返回 0，这是判断通信结束的关键。
总结
- 有名管道（FIFO）通过文件系统路径标识，支持无亲缘关系进程间的通信，是匿名管道的扩展。
- 使用核心步骤：创建 FIFO → 打开 FIFO（读 / 写模式） → 读写数据 → 关闭并清理 FIFO。
- 核心特性：阻塞式打开、先进先出、数据读取后销毁，适合传输少量、有序的字符数据。
匿名管道 vs 有名管道（FIFO）
|------|----------------|--------------------|
| 特性 | 匿名管道 | 有名管道（FIFO） |
| 标识方式 | 内核缓冲区（无路径） | 文件系统路径（/tmp/xxx） |
| 适用进程 | 仅亲缘进程（父子 / 兄弟） | 任意进程（无亲缘限制） |
| 创建方式 | pipe () 函数 | mkfifo () 函数 / 命令行 |
| 生命周期 | 随进程结束销毁 | 需手动 unlink () 销毁 |
| 核心用法 | fork 后继承 fd 通信 | open () 后通过 fd 通信 |
总结
- 匿名管道是基于文件描述符的内核缓冲区，仅支持亲缘进程间单向通信，需通过 fork 继承文件描述符。
- 使用核心步骤：创建管道 → fork 子进程 → 关闭无用端 → 读写数据 → 关闭管道。
- 关键注意点：必须关闭无用的管道端，否则会导致读进程无限阻塞；通信结束后父进程需等待子进程，避免僵尸进程。