Linux 进程间通信 IPC 总结：管道 + 信号量 + 共享内存 + 消息队列（附代码）

夏乌_Wx2026-03-18 8:09

学习操作系统和 Linux 系统编程，进程间通信 IPC 是绕不开的核心知识点。它解决了进程之间 "互不干扰、无法直接访问对方内存" 的隔离问题，让多个进程可以交换数据、同步执行、协同工作。

这篇笔记我把最常用的 IPC 机制整理出来，包含概念、接口、代码封装、实战案例。

进程间通信IPC基础概念

IPC（Inter-Process Communication）：指同一台计算机上不同进程之间交换数据、同步行为的机制

为什么需要IPC？

Linux 下，每个进程都有独立的虚拟地址空间。进程 A 不能直接读写进程 B 的内存。想要让多个进程配合完成任务，就必须依靠 IPC 打破这种隔离。

常见 IPC 机制

  • 管道（Pipe）：最基础，单向通信，分为匿名管道（父子进程）和命名管道（任意进程）。
  • 消息队列（Message Queue）：内核维护的消息链表，支持结构化数据传输。
  • 共享内存（Shared Memory）：效率最高，多个进程共享同一块物理内存，需信号量同步。
  • 信号量（Semaphore）：用于进程同步，解决临界资源竞争问题。
  • 套接字（Socket）：支持本地/跨网络进程通信，是网络编程基础。

一、管道 Pipe

管道是 Linux 中最基础、最古老的进程间通信方式，本质是内核内存中的一块缓冲区 ，遵循 FIFO（先进先出） 原则。

管道创建后会直接在内存上开辟空间，不会占用磁盘空间 ，因此查看管道文件时大小永远为 0

分类

  • 有名管道（命名管道 / FIFO）：支持任意无关进程之间通信
  • 无名管道（匿名管道）：仅支持父子进程 / 亲缘进程之间通信

1、有名管道

支持任意两个无关进程之间通信，以文件形式存在于文件系统中（仅作为标识，不占磁盘空间）

常用接口
  1. 创建：mkfifo
  2. 打开：open()
  3. 读数据：read()
  4. 写数据：write()
  5. 关闭：close()
使用示例
示例1：单条数据写入与读取

1.终端创建管道文件

bash 复制代码 
mkfifo mypipe
  • mk = make（创建）
  • fifo = First In First Out（先进先出）

2.写程序：wmain.c

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>

int main(){	
	// 以只写形式打开管道
	int fd = open("mypipe", O_WRONLY);
	if(fd == -1){
		printf("open pipe failed\n");
		return -1;
	}
	printf("%d\n", fd);
	// 向管道写入内容
	write(fd, "hello", 5);
    
    close(fd);// 关闭文件
	return 0;
}

3.读程序： rmain.c

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>

int main(){
	// 以只读形式打开管道文件
	int fd = open("mypipe", O_RDONLY);
	if(fd == -1){
		printf("open pipe failed\n");
		return -1;
	}
	printf("fd: %d\n", fd);
	char buff[128] = {0};
	read(fd, buff, 127);// 将管道文件内容读取到buff中
	printf("pipe text: %s\n", buff);
    
    close(fd);// 关闭文件
	return 0;
}

注意：结束后要关闭文件！

运行现象

1.只执行写程序/读程序 → 阻塞

2.同时执行，正常运行输出 hello

示例2：循环键盘写入 + 循环读取

写程序：wmain.c

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main(){	
	// 打开已创建的管道文件（只写形式打开）
	int fd = open("mypipe", O_WRONLY);
	if(fd == -1){
		printf("open pipe failed\n");
		return -1;
	}
	printf("%d\n", fd);
	char buff[128] = {0};
	// 写入内容
	while(1){
		memset(buff, 0, 128);// 将buff内容置为0
		printf("please input:");
		fgets(buff, 127, stdin);// 从键盘获取内容到buff中
		// 输入end停止输入
		if(strncmp(buff, "end", 3) == 0){
			break;
		}
		write(fd, buff, strlen(buff));// 将buff内容写入管道
	}
	close(fd);
	return 0;
}

读程序：rmain.c

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>

int main(){
	// 以只读形式打开管道文件
	int fd = open("mypipe", O_RDONLY);
	if(fd == -1){
		printf("open pipe failed\n");
		return -1;
	}
	printf("fd: %d\n", fd);
	while(1){
		char buff[128] = {0};
		if(read(fd, buff, 127) ==0 )// 将管道文件内容读取到buff中
		{
			break;
		}
		printf("read text: %s", buff);
	}

	close(fd);
	return 0;
}

运行情况

  • 写进程键盘输入一行，读进程立即打印一行
  • 输入 end，写进程退出，读进程自动结束
  • 全程阻塞式通信，无数据不打印

2、无名管道

无名管道只用于 父子进程通信，没有文件实体，由系统直接创建

接口

cpp 复制代码 
int pipe(int pipefd[2]);
  • pipefd[0]：读端
  • pipefd[1]：写端

使用示例（父子进程通信）

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

int main(){
	// 定义文件描述符数组：fd[0]-读端；fd[1]-写端
	int fd[2];
	// 创建无名管道
	int res = pipe(fd);
	if(res == -1){ // 判断是否创建失败
		printf("pipe failed\n");
		return -1;
	}
	// 创建子进程
	pid_t pid = fork();
	if(pid == -1){
		printf("fork failed\n");
		return -1;
	}

	if(pid == 0){ // 子进程-写数据
		close(fd[0]);// 关闭读端
		write(fd[1], "hello", 5);
		close(fd[1]);
	}else{ // 父进程-读数据
		close(fd[1]);// 关闭写端
		char buff[128] = {0};
		read(fd[0], buff, 127);
		printf("parent read:%s\n", buff);
		close(fd[0]);
	}
	return 0;
}

管道核心特点

  1. 必须读写端同时open，否则会阻塞
  2. 管道没有数据，read会阻塞
  3. 写端关闭，读端 read 返回值为0
  4. 管道打开的方式只有只读和只写两种，读写方式打开是未定义的
  5. 管道的数据存放在内存中，管道的大小永远为0
  6. 管道是一种半双工通信方式：数据单向流动
  7. 读端关闭，写端会触发异常（SIGPIPE）

二、信号量

1、基本概念

信号量

一个特殊的变量，一般取正数值，代表当前允许访问的资源数目。

作用：控制多个进程对临界资源的访问，保证同一时刻只有一个进程能使用临界资源

P、V操作（原子操作）

  • P 操作（原子减 1）

    • 请求资源

    • 信号量 > 0：占用一个资源，值 -1

    • 信号量 = 0：没有资源，进程阻塞等待

  • V 操作（原子加 1）

    • 释放资源

    • 信号量 +1，唤醒等待的进程

信号量分类：

  • **二值信号量：**相当于互斥锁，同一时刻只允许一个进程访问，信号量的值只取0,1
  • **计数信号量：**允许指定数量的进程同时访问资源，信号量的值大于1

临界资源 ：同一时刻，只允许被一个进程或者线程 访问的资源（比如打印机）
临界区：代码中访问临界资源的代码段

2、信号量系统调用接口

头文件

cpp 复制代码 
#include <sys/sem.h>
semget

作用：用于创建一个新的信号量 或者 获取一个已经存在的信号量

cpp 复制代码 
int  semget(key_t key, int nsems, int semflg);

参数说明：

  • key：所有进程用 同一个 key 就能找到 同一个信号量
  • nsems：创建信号量的个数
  • semflg：标志位：
    • IPC_CREAT：如果不存在就创建，并返回创建的信号量ID - semid；
    • IPC_EXCL：如果已经存在就报错，并返回 -1
    • 还可以设置信号量权限，例如：0600 → 只有当前用户能使用
semop

**作用：**对信号量进行改变,做P操作或者V操作

cpp 复制代码 
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned nsops);

参数说明：

  • semid：信号量的id号，也就是semget的返回值；说明对哪个信号量进行操作;
  • sops：操作结构体
  • nsops：要同时操作几个信号量
cpp 复制代码 
struct sembuf {
    unsigned short sem_num;  // 信号量下标 0,1,2...
    short          sem_op;   // 操作：-1=P，+1=V
    short          sem_flg;  // 标志，一般写 SEM_UNDO
};
semctl

**作用：**对信号量进行控制:初始化/删除信号量

cpp 复制代码 
int semctl(int semid, int semnum, int cmd,...);

参数说明：

  • semid：信号量id
  • semnum：要操作第几个信号量（下标）
  • cmd：命令
    • SETVAL：设置信号量初始值
    • GETVAL：获取当前信号量的值
    • IPC_RMID：删除整个信号量集

3、具体使用

1.封装

直接使用 System V 信号量的原生接口（semget/semctl/semop）存在以下问题：

  1. 每次操作需手动构建 sembuf/semun 结构体，代码冗余；
  2. 易因结构体初始化错误导致逻辑 bug；
  3. 创建与初始化非原子，可能出现 "进程 A 创建信号量未初始化，进程 B 直接使用" 的崩溃场景；
  4. 接口命名不直观，不符合开发者的使用习惯。

因此，我们需要对原生接口进行封装，提供初始化、P 操作、V 操作、销毁的一站式接口。

sem.h
cpp 复制代码 
#ifndef __SEM_H__
#define __SEM_H__

#include <stdio.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>

int sem_init(int key, int nums, int *arr_value);
int sem_p(int semid, int index);
int sem_v(int semid, int index);
void sem_destroy(int semid);

#endif
sem.c
cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/ipc.h>
#include "sem.h"
// 必须自己定义 semun 联合体
union semun{
	int val;
};

// 信号量的初始化
int sem_init(int key, int nsems, int* arr_values){
	// 尝试创建信号量
	int semid = semget((key_t)key, nsems, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600);
	if(semid == -1){ // 信号量已存在：获取信号量内容
		semid = semget((key_t)key, nsems, 0600);
	}
	else{ 
        // 对新创建的信号量进行逐个初始化
		for(int i=0;i<nsems;i++){
			union semun init_value;
			init_value.val = arr_values[i];
			int res = semctl(semid, i,SETVAL, init_value);
			if(res == -1){ // 创建失败：销毁资源
				sem_destroy(semid);
				semid = -1;
				break;
			}
		}
	}
	return semid;
}
重要注意点

上述代码中的信号量的 创建 + 初始化 不是原子操作。可能出现的问题：

  • 进程 A 创建了信号量，但还没来得及初始化
  • 进程 B 直接获取并使用→ 导致未初始化的信号量被使用，逻辑错乱

解决方案：

利用 struct semid_ds 中的 sem_otime 时间戳实现原子性判断：

  • 刚创建未初始化：sem_otime = 0；
  • 初始化完成：执行空semop操作，sem_otime刷新为当前时间（非 0）。

空semop操作是原子的，会阻塞所有后续进程直到初始化完成，从根本上杜绝 "未初始化使用" 的问题

cpp 复制代码 
#include <sys/sem.h>

struct semid_ds {
    struct ipc_perm sem_perm;   // 权限
    unsigned short  sem_nsems;  // 有几个信号量
    time_t          sem_otime;  // 上次 semop 操作时间（P/V 时间）
    time_t          sem_ctime;  // 上次 修改/初始化 时间（semctl）
};

正确且安全代码

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/ipc.h>
#include "sem.h"

union semun{
	int val;
	struct semid_ds *buf;
};
// 信号量的初始化
int sem_init(int key, int nsems, int* arr_values){
	// 尝试创建信号量
	int semid = semget((key_t)key, nsems, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
	
	// 获取信号量状态
	struct semid_ds buf;
	semctl(semid, 0, IPC_STAT, &buf);

	// 判断是否已经初始化
	if(semid != -1 && buf.sem_otime == 0){ // 创建成功且没有初始化
		for(int i=0;i<nsems;i++){
			union semun init_value;
			init_value.val = arr_values[i];
			int res = semctl(semid, i, SETVAL, init_value);// 进行初始化
			if(res == -1){ // 失败：销毁资源
				sem_destroy(semid);
				semid = -1;
				break;
			}
		}

		// 因为semctl不会更新sem_otime
		// 所以需要：执行一次空操作，让sem_otime刷新时间
		struct sembuf tmp = {0, 0, SEM_UNDO};
		semop(semid, &tmp, 1);// 是原子操作，会让其他进程卡住
	}else if(semid == -1 && buf.sem_otime != 0){ 
		// 信号量已被创建且已经被初始化：获取信号量内容
		semid = semget((key_t)key, nsems, 0600);
	}
	return semid;
}


// P操作
int sem_p(int semid, int index){
	struct sembuf sops;// 创建sembuf结构体
	// 初始化结构体元素
	sops.sem_num = index;
	sops.sem_op = -1;
	sops.sem_flg = SEM_UNDO;
	// 调用semop函数实现操作
	return semop(semid, &sops, 1);
}

// V操作
int sem_v(int semid, int index){
	struct sembuf sops;
	sops.sem_num = index;
	sops.sem_op = 1;
	sops.sem_flg = SEM_UNDO;
	return semop(semid, &sops, 1);
}

// 删除信号量
void sem_destroy(int semid){
	semctl(semid, 0, IPC_RMID);
}

封装信号量的好处

  1. 简化代码：不用每次都写复杂的 semget/semctl/semop
  2. 不用手写结构体：P/V 操作内部封装 sembuf，外部一行调用
  3. 名字直观易懂：sem_p / sem_v 符合操作系统经典命名
  4. 不易写错：统一封装，减少重复代码导致的 bug
  5. 可直接用于项目：接口稳定、通用性强
  6. 便于维护：修改信号量逻辑只需改封装层

2.单个信号量------竞争/互斥

多个进程抢同一个资源，只能一个进程使用，比如打印机。

创建互斥信号量 mutex 来实现竞争的关系

  1. 初始值 = 1
  2. 进入前：P 操作（拿锁）
  3. 离开后：V 操作（放锁）

例子：假设A、B为两台打印机，现要求只有A打印完整的一次才能打印B（打印第一个A，表示打印活动开始，第二个A表示当前打印活动结束，B同理）

maina.c

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include"sem.h"

int main(){
	int value[] = {1};// 只创建一个信号量
	int semid = sem_init(1234, 1, value);
	if(semid == -1)
	{
		printf("sem init failed\n");
		return -1;
	}
	for(int i = 0; i < 5; i++)
	{
		sem_p(semid, 0);// P操作
		printf("A\n");
		sleep(rand() % 3);// 模拟真实业务的操作耗时
		printf("A\n");
		sem_v(semid, 0);// V操作
		sleep(rand() % 3);// 模拟进程的竞争/等待
	}
	return 0;
}

mainb.c

和maina.c一样，只是打印的是 B

可以在 mainb.c 的return之前调用sem_destroy，对信号量进行删除，这样一来，就可以保证每次运行不受之前没被删除的信号量的影响

cmd.sh

为了使两个进程并发执行，写一个脚本实现

cpp 复制代码 
#/bin/bash

./maina &
./mainb &

wait

echo "over"

运行结果

AA 和 BB 永远不会交叉打印，保证了互斥访问

连续的A之间的打印有时间间隔；AA和BB之间的打印也有时间间隔

3.多个信号量------协作/同步

多个进程一起工作，必须按顺序执行

使用合作信号量：

  1. 初始值 = 0
  2. A 做完：V 操作（发通知）
  3. B 等待：P 操作（等通知）

例子：三个进程a、b、c分别输出"A"、"B"、"C"，要求输出的结果必须是"ABCABCABC..."循环输出，不能打乱顺序、不能跳着来。

核心逻辑：

  1. 初始化信号量：使用sem_init函数一次性创建3个信号量，且初始值分别为1、0、0
  2. P/V操作：
    1. 进程a：对semA做P操作，然后输出A，再对semB做V操作
    2. 进程b：对semB做P操作，然后输出B，再对semC做V操作
    3. 进程c：对semC做P操作，然后输出C，再对semA做V操作
  3. 循环执行：每个进程重复操作，就可以实现循环输出

初始化信号量

cpp 复制代码 
int values[] = {1, 0, 0};
  • sem [0] = 1 → A 可以直接运行
  • sem [1] = 0 → B 必须等 A
  • sem [2] = 0 → C 必须等 B

maina.c

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include"sem.h"

int main(){
	int values[] = {1, 0, 0};
	int semid = sem_init(1234, 3, values);
	if(semid == -1)
	{
		printf("sem init failed\n");
		return -1;
	}
	int count = 3;
	while(count--){
		sem_p(semid, 0);
		printf("A\n");
		sleep(rand() % 3);
		sem_v(semid, 1);
		sleep(rand() % 3);
	}
	return 0;
}

mainb.c

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include"sem.h"

int main(){
	int values[] = {1, 0, 0};
	int semid = sem_init(1234, 3, values);
	if(semid == -1)
	{
		printf("sem init failed\n");
		return -1;
	}
	int count = 3;
	while(count--){
		sem_p(semid, 1);
		printf("B\n");
		sleep(rand() % 3);
		sem_v(semid, 2);
		sleep(rand() % 3);
	}
	return 0;
}

mainc.c

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include"sem.h"

int main(){
	int values[] = {1, 0, 0};
	int semid = sem_init(1234, 3, values);
	if(semid == -1)
	{
		printf("sem init failed\n");
		return -1;
	}
	int count = 3;
	while(count--){
		sem_p(semid, 2);
		printf("C\n");
		sleep(rand() % 3);
		sem_v(semid, 0);
		sleep(rand() % 3);
	}
	return 0;
}

cmd.sh

cpp 复制代码 
#/bin/bash

./maina &
./mainb &
./mainc &

wait

echo "over"

执行结果

三、共享内存

1、核心概念

共享内存是 效率最高的一种进程间通信（IPC）方式

原理：在物理内存 上申请一块公共的存储区域，允许多个进程将这块内存映射到自己的虚拟地址空间

这样一来：

  • 所有进程都能直接读写同一块内存区域
  • 任何进程写入的数据，其他进程能立刻看到
  • 不需要在内核和用户空间之间复制数据，速度极快

注意点：共享内存本身不提供任何同步机制 。多个进程同时读写会造成数据混乱，因此必须搭配信号量来实现同步与互斥。

2、接口介绍

头文件

cpp 复制代码 
#include <sys/shm.h>

shmget

创建一块新的共享内存，或者获取一个已经存在的共享内存

cpp 复制代码 
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
  • key：共享内存的唯一标识。不同进程只要使用相同的 key，就能找到并使用同一块共享内存(这里的值和信号量的值一样也没有关系，因为类型不一样)
  • size：共享内存的大小。创建时必须指定，单位为字节
  • shmflg：标志位，常用组合
    • IPC_CREAT：如果共享内存不存在，则创建
    • IPC_EXCL：如果要创建的共享内存已存在，则报错返回
    • 0664：权限设置（通常与上面标志位进行按位或操作）
  • 返回值：成功返回共享内存的 ID， 失败返回-1

shmat

将获取到的共享内存，映射到当前进程的虚拟地址空间中。映射成功后，进程就可以像操作普通内存一样读写这块区域

cpp 复制代码 
void* shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
  • shmid：由 shmget 获取到的共享内存 ID
  • shmaddr：指定映射到进程空间的具体地址，通常填 NULL，交由操作系统自动分配
  • shmflg： 访问模式
    • 0：默认值，表示可读可写
    • SHM_RDONLY：只读模式，其他的为读写
  • 返回值：成功返回返回共享内存的首地址，失败返回 (void*)-1

shmdt

将共享内存从当前进程的地址空间中断开映射

cpp 复制代码 
int shmdt(const void *shmaddr);
  • shmaddr：shmat 返回的映射首地址
  • 返回值：成功返回 0， 失败返回-1

注意：调用这个函数只是当前进程 "不再使用" 这块内存了，但物理内存依然存在，其他连接了该内存的进程依然可以正常使用

shmctl

控制共享内存（常用于删除共享内存）

cpp 复制代码 
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
  • shmid：共享内存 ID
  • cmd： 要执行的命令
    • IPC_RMID：删除共享内存
  • buf：指向存放共享内存属性信息的结构体，删除操作时传 NULL 即可
  • 返回值：成功返回 0，失败返回-1

注意 ："标记删除" 机制 ------ 如果还有进程正连接着这块共享内存，内核不会立即删除，而是先标记上 "待删除" 状态，等待最后一个进程断开映射（shmdt）后，才会真正释放物理内存

3、使用示例

示例1：单项读写

功能说明：

  • shma.c 向共享内存写入字符串 "hello"
  • shmb.c 从共享内存读取并打印
  • 共享内存内容会一直保留在内核中，直到被删除

shma.c

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/shm.h>

 int main()
{
	// 创建一块共享内存
	int shmid = shmget(1234, 128, IPC_CREAT | 0600);
	if(shmid == -1)// 创建失败
	{
		printf("shm get failed\n");
		return -1;
	}
	// 将获取到的共享内存映射到虚拟地址空间
	char* shm_addr = shmat(shmid, NULL, 0);
	if(shm_addr == (void *)-1)// 映射失败
	{
		printf("shmat failed\n");
		return -1;
	}

	strcpy(shm_addr, "hello");

	// 断开映射
	if(shmdt(shm_addr) == -1)
	{
		printf("shmdt failed\n");
		return -1;
	}
	return 0;
}

shmb.c

cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/shm.h>

 int main()
{
	// 创建一块共享内存
	int shmid = shmget(1234, 128, IPC_CREAT | 0600);
	if(shmid == -1)// 创建失败
	{
		printf("shm get failed\n");
		return -1;
	}
	// 将获取到的共享内存映射到虚拟地址空间
	char* shm_addr = shmat(shmid, NULL, 0);
	if(shm_addr == (void *)-1)// 映射失败
	{
		printf("shmat failed\n");
		return -1;
	}

	// 对共享内存里的内容进行操作
	printf("B:%s\n",shm_addr);

	// 断开映射
	if(shmdt(shm_addr) == -1)
	{
		printf("shmdt failed\n");
		return -1;
	}

	return 0;
}
运行现象
  • 先运行 ./shmb → 共享内存为空，什么都输出不了
  • 再运行 ./shma → 写入 "hello"
  • 再运行 ./shmb → 成功输出 hello

共享内存一旦写入，数据会一直保存在内核中，多个进程可以反复访问

示例2：循环交互通信

功能要求：

  • 进程 A 循环从键盘输入，写入共享内存
  • 进程 B 循环从共享内存读取并打印
  • 必须满足：A 写一次 → B 读一次
  • A 不输入，B 就不输出

如果我们只加循环、不加同步，会出现严重问题：

  • A 还没输入，B 就疯狂读取旧数据
  • 数据重复打印、乱序打印
  • 无法做到 "写一次、读一次"

根本原因 ：**共享内存本身没有任何同步机制。**它只管提供内存，不管谁在写、谁在读、什么时候读

解决方案

使用前面学过的 信号量 来做同步：

  1. 创建两个信号量：

    • sem_write：初始值 1（A 可以先写）
    • sem_read：初始值 0（B 必须等待）

  2. 流程：

    • A：P (写) → 写入数据 → V (读)
    • B：P (读) → 读取数据 → V (写)

这样就能严格保证：写一次、读一次，不会乱、不会重复

shma.c
cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/shm.h>
#include "sem.h"

 int main()
{
	// 创建一块共享内存
	int shmid = shmget(1234, 128, IPC_CREAT | 0600);
	if(shmid == -1)// 创建失败
	{
		printf("shm get failed\n");
		return -1;
	}
	// 将获取到的共享内存映射到虚拟地址空间
	char* shm_addr = shmat(shmid, NULL, 0);
	if(shm_addr == (void *)-1)// 映射失败
	{
		printf("shmat failed\n");
		return -1;
	}

	// 初始化信号量
	int values[] = {1, 0};
	int semid = sem_init(123, 2, values);
	if(semid == -1)
	{
		printf("sem init failed\n");
		// 必须要释放之前申请的资源
		shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
		return -1;
	}
	
	// 循环进行输入
	while(1)
	{	
		sem_p(semid, 0);
		printf("please input:");
		scanf("%s", shm_addr);
		sem_v(semid, 1);
		// 输入 end 表示结束
		if(strncmp(shm_addr, "end", 3) == 0)
		{
			break;
		}
	}

	// 断开映射
	if(shmdt(shm_addr) == -1)
	{
		printf("shmdt failed\n");
		return -1;
	}
	return 0;
}
shamb.c
cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/shm.h>
#include "sem.h"

 int main()
{
	// 创建一块共享内存
	int shmid = shmget(1234, 128, IPC_CREAT | 0600);
	if(shmid == -1)// 创建失败
	{
		printf("shm get failed\n");
		return -1;
	}
	// 将获取到的共享内存映射到虚拟地址空间
	char* shm_addr = shmat(shmid, NULL, 0);
	if(shm_addr == (void *)-1)// 映射失败
	{
		printf("shmat failed\n");
		return -1;
	}

	// 获取信号量
	int values[] = {1, 0};
	int semid = sem_init(123, 2, values);
	if(semid == -1)
	{
		printf("sem init failed");
		shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
		return -1;
	}

	// 循环读取
	while(1)
	{	sem_p(semid, 1);
		printf("B:%s\n", shm_addr);
		sem_v(semid, 0);
		// 读取到 end 结束
		if(strncmp(shm_addr, "end", 3) == 0)
		{
			break;
		}
	}

	// 断开映射
	if(shmdt(shm_addr) == -1)
	{
		printf("shmdt failed\n");
		return -1;
	}

	// 删除共享内存
	if(shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1)
	{
		printf("shmctl failed\n");
		return -1;
	}

	// 删除信号量
	sem_destroy(semid);

	return 0;
}
运行现象
  1. 先运行 shmb： 进程 B 会直接阻塞，等待 A 写入
  1. 运行 shma：A 等待输入，输入一次，B 就打印一次。

3.**输入 end：**A 退出，B 打印 end 后也自动退出。

4.自动清理资源：因为在shmb.c中最后进行了信号量和共享内层的删除，所以无需手动删除

四、消息队列

消息队列是消息的链接表，存储在内核中，由消息队列标识符唯一标识

它允许进程以 消息类型+消息内容 的形式进行数据交换，支持指定类型读取、按顺序接收、阻塞/非阻塞收发

1、接口介绍

头文件

cpp 复制代码 
#include <sys/msg.h>

msgget

创建一个新的消息队列，或获取一个已存在的消息队列

cpp 复制代码 
int msgget(key_t key, int msqflg);
  • key：息队列的唯一键值，不同进程通过相同 key 访问同一队列
  • msqflg：标志位
    • IPC_CREAT：不存在则创建
    • 可搭配权限，如 0600
  • 返回值：成功返回消息队列 ID（msqid），失败返回-1

msgsnd

像消息队列发送一条消息

cpp 复制代码 
int msgsnd(int msqid, const void *msqp, size_t msqsz, int msqflg);
  • msqid：消息队列 ID，因为系统中可能有多个消息队列，这id指明往哪个消息队列中添加数据
  • msqp：往消息队列中添加的结构体
  • msqsz：消息数据部分的长度（不包含消息类型）
  • msqflg：标志位
    • 0：队列满时阻塞
    • IPC_NOWAIT：队列满时不阻塞，直接报错返回
  • 返回值：成功返回 0， 失败返回-1

消息结构体（必须自己进行定义）

cpp 复制代码 
struct msgbuf {
    long mtype; // 消息类型， 必须大于0(或者说>=1),长整型,比如图中的1,2
    char mtext[1]; // 消息数据 ,用户自己定义,可以是任何类型;这里存放消息数据
};

msgrcv

从消息队列接收一条消息

cpp 复制代码 
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msqsz, long msqtyp, int msqflg);
  • msqid：消息队列 ID
  • msgp：接收消息的结构体
  • msqsz：接收缓冲区大小
  • msqtyp：要接收的消息类型
    • 0：不区分类型，按队列顺序接收
    • > 0：只接收该类型的消息
  • msqflg：标志位
    • 0：队列为空时阻塞等待
    • IPC_NOWAIT：队列为空时不阻塞，直接返回
  • 返回值：成功返回接收到的数据传递，失败返回 -1

msgctl

控制消息队列，最常用为删除消息队列

cpp 复制代码 
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);
  • msqid：消息队列 ID
  • cmd：控制命令
    • IPC_RMID：删除消息队列
  • buf：队列属性结构体，删除时传 NULL
  • 返回值：成功返回 0，失败返回 -1

注意

消息队列创建后会一直存在内核中，直到：

  • 使用 msgctl(IPC_RMID) 删除
  • 系统重启
  • 命令手动删除：ipcrm -q 队列ID

2、使用示例

进程 A 发送一条消息，进程 B 读取消息

基础版：单条消息收发

功能

  • 进程 A（msga.c）向队列发送 某类型、内容 "hello" 的消息
  • 进程 B（msgb.c）从队列接收 相同类型 的消息并打印
  • 接收完成后由 B 删除队列
msga.c（发送端）
cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/msg.h>
// 自定义结构体
struct msgbuf{
	long mtype;// 消息类型（>0）
	char mtext[128];// 消息数据缓存区
};

int main()
{
	// /创建/获取消息队列
	int msqid = msgget((key_t)123, IPC_CREAT | 0600);
	if(msqid == -1)
	{
		printf("msg get failed\n");
		return -1;
	}
	// 定义消息结构体变量
	struct msgbuf msqp;
	msqp.mtype = 1;// 设置消息类型
	strcpy(msqp.mtext, "hello");// 向消息数据域拷贝内容"hello"
	// 发送消息到消息队列
	int res = msgsnd(msqid, &msqp, 128, 0);// 阻塞模式
	if(res == -1)
	{
		printf("msg send failed\n");
		return -1;
	}
	return 0;
}
msgb.c（接收端）
cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/msg.h>

struct msgbuf{
	long mtype;
	char mtext[128];
};

int main()
{
	int msqid = msgget((key_t)123, IPC_CREAT | 0600);
	if(msqid == -1)
	{
		printf("msg get failed\n");
		return -1;
	}
	struct msgbuf msqp;
	// 从消息队列接收消息（只接受类型为1的消息）
	msgrcv(msqid, &msqp, 128, 1, 0);
	printf("read message:%s\n",msqp.mtext);
    // 删除消息队列
	if(msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL) == -1)
	{
		printf("msg rm failed\n");
		return -1;
	}

	return 0;
}

运行现象

1.A发送1类型，B接收1类型 → 正常输出 hello

  1. A 发送类型 2，B 仍接收类型 1 → B 会一直阻塞，无法接收

进阶版（命令行传参 + 多消息收发）

功能

  • 通过命令行参数指定消息类型和内容
  • 支持发送任意类型、任意内容
  • 可连续收发多条消息
msg.h（统一结构体定义）
cpp 复制代码 
#ifndef MSG_H
#define MSG_H

#define TEXT_LENGTH 128

typedef struct Msg{
    long mtype;
    char mtext[TEXT_LENGTH];
}Mess;

#endif
msga.c（带参数发送端）
cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/msg.h>
#include"msg.h"

int main(int argc, char* argv[])
{
    // 创建/获取消息队列
    int msqid = msgget((key_t)123, IPC_CREAT | 0600);
    if(msqid == -1){
        printf("msg get failed\n");
        return -1;
    }

    // 定义消息结构体变量
    Mess msqp;
    memset(&msqp, 0, sizeof(msqp)); // 清空整个结构体

    // 如果有输入数据类型
    if(argc >= 2){
        // 将消息类型设置为对应类型
        sscanf(argv[1], "%ld", &msqp.mtype);
    }
    else{
        // 反之，默认设为1
        msqp.mtype = 1;
    }

    // 有输入消息内容
    if(argc >= 3){
            strcpy(msqp.mtext, argv[2]);
    }
    else{
        // 默认为hello
        strcpy(msqp.mtext, "hello");
    }

    // 发送消息到消息队列
    int res = msgsnd(msqid, &msqp, strlen(msqp.mtext), 0); // 阻塞模式
    if(res == -1){
        printf("msg send failed\n");
        return -1;
    }

    return 0;
}
msgb.c（接收端）
cpp 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<sys/msg.h>
#include"msg.h"

int main()
{
    int msqid = msgget((key_t)123, IPC_CREAT | 0600);
    if(msqid == -1)
    {
        printf("msg get failed\n");
        return -1;
    }

    Mess msqp;
    memset(&msqp, 0, sizeof(msqp));
    // 从消息队列接收消息（只接受类型为1的消息）
    if(msgrcv(msqid, &msqp, TEXT_LENGTH, 1, 0) == -1)
    {
        printf("message receive failed\n");
        return -1;
    }
    printf("type:%ld, text:%s\n", msqp.mtype, msqp.mtext);

    // 删除消息队列
    if(msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL) == -1)
    {
        printf("msg rm failed\n");
        return -1;
    }

    return 0;
}

运行结果

重要现象

  • 发送多条消息后，接收端会取第一个匹配类型的消息
  • 如果 msgb.c 中保留删除队列代码 → 只能收一次，队列被销毁
  • 如果 删除 msgb.c 中的队列销毁代码 → 队列保留，可多次收发

注意事项

不能直接判断 argv[1] / argv[2] 是否为 NULL 来确认参数是否存在，直接访问非法下标会造成内存越界。

Linux 中进程参数后紧跟环境变量，非法访问会读到环境变量值，导致程序逻辑错误。

IPC机制对比表

IPC 类型 速度 进程关系 数据形式 同步机制 优点 缺点
管道 中 父子 / 任意 字节流 自带阻塞 简单、无需同步 单向、效率一般
信号量 - 任意 同步控制 原子 PV 解决竞态 不能传输数据
共享内存 最快 任意 直接内存 需信号量 速度无敌 需手动同步
消息队列 中 任意 带类型消息 自带阻塞 支持类型、易用 效率不如共享内存
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