Linux进程间通信：信号、消息队列、共享内存完整笔记

Horn Still Sounds2026-08-30 8:45

标签：#Linux #进程间通信 #信号 #消息队列 #共享内存 #System‑V‑IPC

摘要：本篇梳理Linux下信号基础API、System‑V消息队列、System‑V共享内存核心接口，包含函数详解、原理剖析、可运行示例代码，

前言

进程间通信（IPC）是Linux后端开发的核心知识点。不同进程拥有独立虚拟地址空间，无法直接访问对方内存，必须借助操作系统提供的机制完成数据传递与事件通知。

本文涵盖三类经典IPC机制：

  1. 信号：异步事件通知，传递数字信号，不适合大批量数据传输
  2. System‑V消息队列：带消息类型的报文式通信
  3. System‑V共享内存：效率最高IPC，直接内存映射，无数据拷贝

一、信号相关系统调用

信号本质是软件中断，用于通知进程发生某个事件，信号只能传递编号，不能携带大量数据。

1.1 kill() --- 向进程发送信号

c 复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <signal.h>
int kill(pid_t pid, int sig);

功能 ：给指定pid的进程发送一个编号为sig的信号。

参数说明

参数 说明
pid 接收信号的进程PID
sig 信号编号，如SIGKILL(9)、SIGALRM(14)

返回值

  • 成功返回 0
  • 失败返回 -1，设置errno

⚠️注意：kill( )不是专门用来杀死进程，只是发送信号；发送SIGKILL才会强制终止进程。

1.2 pause() --- 进程休眠等待信号

复制代码 
#include <unistd.h>
int pause(void);

功能：将进程挂起进入休眠，直到捕捉到一个信号、执行完信号处理函数后，pause才返回。

关键点：唤醒pause的信号必须被捕获（注册信号处理函数） ；如果信号是默认终止行为，进程直接退出，pause不会返回。

返回值：永远返回‑1。

1.3 alarm() --- 定时产生SIGALRM信号

复制代码 
#include <unistd.h>
unsigned int alarm(unsigned int seconds);

功能 ：seconds秒之后，给当前进程发送SIGALRM(14)闹钟信号。

  • 调用alarm(0)会取消已设置的闹钟。
  • 返回值：上一次闹钟剩余的秒数。

简单示例：alarm + pause 定时demo

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

void sig_alarm(int sig)
{
    printf("收到闹钟信号 SIGALRM\n");
}

int main(void)
{
    signal(SIGALRM, sig_alarm);
    alarm(3);   //3秒后发送SIGALRM
    printf("进程休眠等待信号...\n");
    pause();
    printf("pause被唤醒，程序结束\n");
    return 0;
}

编译运行：gcc alarm_demo.c -o alarm_demo && ./alarm_demo

二、System‑V IPC 消息队列

消息队列：内核维护的消息链表。进程把数据封装成消息体，带有mtype消息类型，接收方可以按类型筛选消息。

优点：支持按消息类型收发；缺点：内核空间拷贝，数据量大时效率不如共享内存。

整体流程

  1. ftok()：生成IPC唯一key值
  2. msgget()：创建/获取消息队列ID
  3. msgsnd()：发送消息
  4. msgrcv()：接收消息
  5. msgctl()：控制、删除消息队列

2.1 ftok() 生成IPC key

复制代码 
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

功能：根据一个存在的文件路径 + 项目id，生成一个IPC的key值，用于标识IPC对象。

原理：将文件inode号与proj_id做运算生成key；pathname对应的文件必须真实存在，否则返回‑1。

参数 说明
pathname 磁盘上真实存在文件路径
proj_id 项目ID，仅低8位有效，0‑255

返回：成功返回key_t键值；失败返回‑1。

注意：不同文件，哪怕相同proj_id，得到key不一样。

2.2 msgget() 创建消息队列

复制代码 
#include <sys/msg.h>
int msgget(key_t key, int msgflg);

功能：根据key创建或者打开消息队列，返回消息队列ID。

参数：

  • key：ftok生成的IPC键值
  • msgflg：标志位，常用 IPC_CREAT | 0664
    • IPC_CREAT：不存在则创建；存在直接打开
    • 0664：权限，类似文件权限

返回：成功返回msgid；失败‑1。

2.3 消息体结构体 struct msgbuf

复制代码 
struct msgbuf {
    long mtype;      /* 消息类型，必须 > 0 */
    char mtext[1];   /* 消息正文，柔性数组，可自定义大小 */
};

mtype必须大于0，msgrcv可以指定只接收某一类消息，实现简单优先级。

2.4 msgsnd() 发送消息

复制代码 
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);

参数：

  • msqid：消息队列ID
  • msgp：指向msgbuf消息结构体
  • msgsz：消息正文mtext字节大小，不包含mtype(long类型)
  • msgflg：标志位，填0代表阻塞模式；消息队列满时进程阻塞等待。

返回：成功0；失败‑1。

2.5 msgrcv() 接收消息

复制代码 
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

参数说明

  • msqid：消息队列ID
  • msgp：存放接收消息的缓冲区
  • msgsz：能接收正文最大字节
  • msgtyp：指定接收消息类型
    • msgtyp >0：只接收mtype等于msgtyp的消息
    • msgtyp =0：接收队列第一条消息，忽略类型
  • msgflg：0阻塞模式；没有对应消息就阻塞等待。

返回：成功返回实际收到正文字节数；失败返回‑1。

2.6 msgctl() 消息队列控制（删除/获取状态）

复制代码 
int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf);

cmd常用选项：

  1. IPC_STAT：获取消息队列状态，存入buf
  2. IPC_SET：设置消息队列属性
  3. IPC_RMID：删除消息队列 ，此时第三个参数buf传NULL

返回：成功0，失败‑1。

2.7 Shell操作消息队列命令

复制代码 
ipcs -a                 #查看系统所有IPC对象（消息队列、共享内存、信号量）
ipcrm -q  msgid         #通过msgid删除消息队列
ipcrm -Q  msgkey        #通过key值删除消息队列

消息队列完整示例

msg_send.c 发送端

复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>

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

int main(void)
{
    key_t key = ftok("./test.txt", 0x11);
    if(key == -1){ perror("ftok"); return -1; }

    int msqid = msgget(key, IPC_CREAT | 0664);
    if(msqid == -1){ perror("msgget"); return -1; }

    struct msgbuf buf;
    buf.mtype = 100;  //消息类型
    strcpy(buf.mtext, "hello message queue");

    int ret = msgsnd(msqid, &buf, strlen(buf.mtext), 0);
    if(ret == -1){ perror("msgsnd"); return -1; }
    printf("消息发送完成\n");
    return 0;
}

msg_recv.c 接收端

复制代码 
#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>

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

int main(void)
{
    key_t key = ftok("./test.txt",0x11);
    int msqid = msgget(key, IPC_CREAT|0664);

    struct msgbuf buf;
    ssize_t n = msgrcv(msqid, &buf, sizeof(buf.mtext),100,0);
    if(n == -1){ perror("msgrcv"); return -1; }
    printf("收到消息：%s\n", buf.mtext);

    //msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL); //使用完删除队列
    return 0;
}

注意：当前目录需要存在test.txt，touch test.txt；分别编译运行发送、接收程序。

三、System‑V 共享内存

共享内存：Linux下效率最高的IPC方式 。原理：内核开辟一块物理内存，多个进程把这块物理内存映射到各自用户虚拟地址空间。进程读写自己虚拟地址，直接操作同一块物理内存，没有内核态、用户态之间数据拷贝 。

⚠️风险：共享内存本身不带同步互斥机制，多进程并发读写需要自己加信号量、互斥锁做保护。

流程

  1. ftok()生成key
  2. shmget() 创建/获取共享内存ID
  3. shmat() 将共享内存映射到进程用户空间
  4. 直接读写返回的虚拟地址
  5. shmdt() 解除映射
  6. shmctl() 删除共享内存

3.1 shmget() 创建共享内存

复制代码 
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数：

  • key：IPC key
  • size：共享内存字节大小，建议PAGE_SIZE(4096)整数倍；内核会向上对齐页大小
  • shmflg：IPC_CREAT | 0664

返回：成功返回shmid；失败‑1。

3.2 shmat() 挂载映射共享内存

复制代码 
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

参数：

  • shmid：共享内存id
  • shmaddr：指定映射到用户空间地址，填NULL，操作系统自动选地址（推荐）
  • shmflg：
    • SHM_RDONLY：只读挂载
    • 0：读写权限

返回：成功返回映射后的虚拟地址；失败返回(void*)-1。

3.3 shmdt() 解除映射

复制代码 
int shmdt(const void *shmaddr);

将共享内存从当前进程地址空间剥离，不会删除内核中的共享内存对象。

3.4 shmctl() 共享内存控制

复制代码 
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

cmd：IPC_RMID表示删除共享内存对象，第三个参数传NULL。

注意：执行IPC_RMID不会立刻销毁；只有所有进程全部shmdt解除映射之后，才真正释放内存。

shell操作共享内存

复制代码 
ipcs -a
ipcrm -m shmid      #按id删除共享内存
ipcrm -M shmkey     #按key删除共享内存

共享内存简单示例

shm_write.c 写端

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

#define SHM_SIZE 4096

int main(void)
{
    key_t key = ftok("./test.txt",0x22);
    int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT|0664);
    if(shmid == -1){ perror("shmget"); return -1; }

    char *p = shmat(shmid, NULL, 0);
    if(p == (void*)-1){ perror("shmat"); return -1; }

    strcpy(p, "share memory test data");
    printf("写入共享内存完成\n");

    shmdt(p);
    return 0;
}

shm_read.c 读端

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

#define SHM_SIZE 4096
int main(void)
{
    key_t key = ftok("./test.txt",0x22);
    int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT|0664);
    char *p = shmat(shmid, NULL,0);

    printf("读取共享内存：%s\n", p);

    shmdt(p);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); //删除共享内存
    return 0;
}

四、易错点整理（修正原图笔记疏漏）

  1. pause()返回值：原图没有写返回值，pause调用成功也返回‑1，只有被信号唤醒才返回。
  2. msgsnd/msgrcv大小参数 ：msgsz只算消息正文，不包含long mtype，很多初学者会把整个struct msgbuf大小传入，造成bug。
  3. 共享内存size：建议4096倍数；内核会向上按内存页对齐。
  4. 共享内存本身无同步！多个进程同时读写会出现竞态，必须额外信号量/互斥锁保护。
  5. IPC对象生命周期 ：System‑V IPC对象不会随进程退出自动销毁！进程结束，消息队列、共享内存还在内核残留，必须手动msgctl/shmctl IPC_RMID或者ipcrm命令删除，否则一直占用系统资源。
  6. ftok依赖文件inode：如果文件被删除重建，即使路径不变，ftok得到key会改变。

五、IPC机制简单对比

通信方式 数据载体 拷贝次数 同步机制 适用场景
信号 数字编号 无拷贝 信号处理回调 事件通知，传递简单信号，不适合大数据
消息队列 消息报文 用户态↔内核态拷贝2次 队列阻塞 不定长报文，带消息类型，中小数据量
共享内存 直接物理内存映射 0次拷贝 无自带同步 大数据高速传输，需要自己做互斥同步

管道、FIFO也属于IPC，管道同样存在两次拷贝，和消息队列类似。

小结

  1. 信号偏向事件通知，不适合传输业务数据；
  2. System‑V消息队列提供消息类型，编程简单，适合报文通信；
  3. 共享内存性能最高，但一定要自己处理多进程同步互斥；
  4. System‑V IPC对象不会进程退出自动清理，用完务必删除，避免内核资源泄漏。
复制代码
相关推荐
拂拉氏12 分钟前
【知识讲解】 Linux进程的认识与创建
linux·进程
疯狂打码的少年13 分钟前
【数据库技术】关系代数连接运算（等值连接/自然连接/外连接）
jvm·数据库·笔记·oracle
金立基包装胶水23 分钟前
水性纸袋热封胶，常见故障有多少种？
大数据·笔记·其他
维克兜率天27 分钟前
4.1.3 策略类型全景图：六大策略，你适合哪个
笔记·python·算法·量化
路弥行至30 分钟前
ROS2 通信避坑实录:从 topic/msg 底层原理到一次内存错位复盘
网络·经验分享·笔记·其他·内存·topic·ros2
Alan CGH31 分钟前
一次非寻常的压测优化经历
java·网络·压力测试
常驻客栈38 分钟前
B-深入理解计算机系统第3版之第10章：系统级 I/O
开发语言·笔记·学习笔记·常驻客栈·深入理解计算机系统
Yang961138 分钟前
一人一机一手机：鼎讯G-4000A让光缆查找告别双人配合
网络
myy-learn43 分钟前
27-进程通信
linux·服务器·网络
热门推荐
01国内可直接用、免费额度/永久免费的大模型API清单（含 SiliconFlow、火山、阿里、智谱、百度、Kimi、DeepSeek、DMXAPI 等）02GitHub 镜像站点03ZCode 周末送额度活动开启：3 亿 Token 免费领取042026 国产 AI 大模型横评：DeepSeek、通义千问、Kimi、文心一言、星火、豆包谁更能打？05历年考研数学一、数学二、数学三真题试卷及答案PDF06微信历史版本含下载地址（ Windows PC | 安卓 | MAC ）及设置微信不更新07Agnes AI 免费 API 接入指南：文本、生图、生视频，一套接口全免费08AI 编程 IDE 全景解析 2026：Agent 全面接管开发链路09蜘蛛磁力 搜索引擎大全，如何使用蜘蛛磁力查找磁力链接10VSCode+CodeX扩展，无法启动