Linux ：进程间通信（IPC）与信号

一、信号

1. 基本概念

信号是用于通知进程某个事件发生的软中断机制，是进程间异步通信的一种方式。

2. 核心信号与操作

SIGINT ：由ctrl+c触发，默认功能是终止进程。
- SIG_IGN：忽略该信号；
- SIG_DFL：恢复信号的默认行为；
- signal(信号值, 处理行为)：修改信号的处理逻辑，实现信号功能替换。
kill()：用于向进程发送指定信号，主动触发信号机制。

二、进程间通信（IPC）方式

进程间通信核心方式包括：管道、共享内存、消息队列、信号量、套接字，以下重点整理前四类核心机制。

1. 管道

管道是基于文件描述符的半双工通信方式，数据传输遵循先进先出（FIFO），分为有名管道和无名管道两类。

特性	有名管道	无名管道
名称	有文件名，存在于文件系统	无名称，仅通过文件描述符访问
进程关系	任意有权限的进程	仅亲缘进程（父子 / 兄弟）
生命周期	随文件系统（需手动删除）	随进程销毁而销毁
创建方式	`mkfifo` 命令	`pipe()` 系统调用

1.1 通用特性与注意事项

通信模式：半双工（同一时刻仅能单向传输）；
数据特性：字节流无边界，若按消息传输需自定义格式（长度 + 数据），避免多读 / 少读；
核心问题：
1. 管道破裂：读端关闭后写端仍写入，触发SIGPIPE信号终止写端进程；
2. 缓冲区阻塞：读空 / 写满会阻塞进程，需通过fcntl()设置非阻塞属性；
3. 资源泄漏：进程退出前未关闭描述符，会导致缓冲区数据丢失。

1.2 测试与使用

命令行测试：
- 读端持续监听：while true;do cat < 管道文件;done；
- 写端写入：cat > 管道文件。
代码操作：
- 读管道：使用read()函数，注意第三个参数不能用初始化的strlen；
- 写管道：使用write()函数向管道文件写入数据。

2. 共享内存

共享内存是最快的 IPC 方式，通过将同一块内存映射到多个进程的地址空间，实现数据直接共享。

2.1 核心函数

函数	功能	关键参数 / 返回值
`shmget()`	创建 / 获取共享内存	`key`：唯一标识；`size`：内存大小（新建填正数，获取填 0）；`shmflg`：`IPC_CREAT`（创建）+ 权限位；返回值：成功返回标识符，失败返回 - 1
`shmat()`	将共享内存映射到进程地址空间	`shm_id`：`shmget`返回值；`shm_addr`：NULL（系统自动分配地址）/ 自定义地址；`shmflg`：0（读写）/`SHM_RDONLY`（只读）；返回值：映射后的内存地址

2.2 操作流程

创建共享内存：shmget(key, size, IPC_CREAT | 0666)；
映射到进程：shmat(shm_id, NULL, 0)；
进程读写共享内存数据；
解除映射（可选）：shmdt()；
删除共享内存（释放资源）：通过shmctl()设置IPC_RMID。

2.3 练习场景

读进程：持续读取共享内存中的数值；
写进程：持续向共享内存写入数值。

3. 信号量

信号量用于进程间同步与互斥，本质是受保护的整数计数器，通过原子操作修改值，控制共享资源的访问。

3.1 核心概念

原子操作：信号量的加减操作不可中断，避免多进程并发修改导致数据不一致；
堵塞机制：信号量值为 0 时，获取该信号量的进程阻塞，直到其他进程释放资源；
类型：
- 二值信号量：值为 0/1，实现互斥（类似锁，一次仅一个进程访问）；
- 计数信号量：值为非负数，控制多个相同资源的并发访问；
P/V 原语：
- P 操作（减 1）：结果≥0 则进程继续，否则阻塞；
- V 操作（加 1）：永远不阻塞，若有阻塞进程则唤醒一个；
临界资源：同一时刻仅允许一个进程访问的资源；
临界区：访问临界资源的代码段。

3.2 核心函数

函数	功能	关键参数 / 返回值
`semget()`	创建 / 获取信号量集	`key`：唯一标识；`nsems`：信号量个数（新建 / 获取均需 > 0）；`semflg`：`IPC_CREAT`+ 权限；返回值：成功返回标识符，失败返回 - 1
`semctl()`	控制信号量集（设置 / 获取 / 删除）	`semid`：信号量集标识符；`semnum`：信号量索引（整体操作忽略）；`cmd`：`SETVAL`（设初始值）/`GETVAL`（取值）/`IPC_RMID`（删除）；可变参数：`union semun`（自定义联合体）
`semop()`	执行信号量 P/V 操作	`semid`：信号量集标识符；`sops`：指向`sembuf`结构体的指针（含`sem_num`（索引）、`sem_op`（±1）、`sem_flg`（`SEM_UNDO`））；`nsops`：操作数个数

3.3 关键结构体 / 联合体

联合体semun（自定义）：

复制代码

union semun {
    int val; // 用于SETVAL（设置信号量值）
    struct semid_ds *buf; // 用于IPC_STAT/IPC_SET（状态信息）
    unsigned short *array; // 用于GETALL/SETALL（批量操作）
    struct seminfo *_buf; // 用于IPC_INFO（系统限制）
};

结构体sembuf：

复制代码

struct sembuf {
    unsigned short sem_num; // 信号量索引
    short sem_op; // 操作类型（+1/V操作，-1/P操作）
    short sem_flg; // 标志位，常用SEM_UNDO（异常退出时撤销修改）
};

3.4 操作流程

创建信号量集：semget(key, nsems, IPC_CREAT | 0600)；
设置信号量初始值：semctl(semid, 0, SETVAL, {.val = 1})（二值信号量）；
执行 P/V 操作：通过semop()传入sembuf结构体（如sem_op = -1为 P 操作，sem_op = +1为 V 操作）；
释放资源：semctl(semid, 0, IPC_RMID)（删除信号量集）。

三、补充工具

ipcs：查看系统中 IPC 资源（共享内存、信号量、消息队列）；
ipcrm：手动删除 IPC 资源（配合ipcs结果清理）。