Linux系统编程｜进程间通信IPC全套详解（1）（管道、信号）

一、管道通信

管道本质是内核开辟的一块缓冲区，遵循FIFO先进先出规则，分为无名管道pipe和有名管道FIFO(mkfifo)。

1.1 无名管道（匿名管道 pipe）

无名管道只能用于有亲缘关系进程之间通信（父子、兄弟进程）。

原理：父进程调用`pipe()`创建管道得到两个文件描述符，fork创建子进程后，子进程复制父进程文件描述符，父子进程就可以操作同一组管道fd完成数据传输。

函数原型

#include <unistd.h>

int pipe(int pipefd $2$ );

pipefd $0$ ：管道读端，使用read读取数据
pipefd $1$ ：管道写端，使用write写入数据
返回值：成功返回0；失败返回1

管道核心特性

半双工单向通信；数据只能单向流动；
缓冲区默认大小64K；
写阻塞：管道写满，write会阻塞；
读阻塞：管道为空，read会阻塞；
读返回0：管道写端全部关闭，read返回0，代表读到末尾；
管道破裂SIGPIPE：管道读端全部关闭，继续写管道，会产生SIGPIPE信号，进程默认直接退出。

简单示例逻辑：父进程创建pipe，fork子进程；父关闭读端往pipefd $1$ 写数据；子关闭写端从pipefd $0$ 读数据。

1.2 有名管道 FIFO（mkfifo）

无名管道局限于亲缘进程，有名管道解决这个问题，可以用于本机任意两个进程通信。

它会在文件系统生成一个特殊管道文件，不同进程通过open打开这个文件，就可以完成通信。

函数原型

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

pathname：管道文件路径
mode：文件权限，例如0664
返回值：成功0，失败1

创建完成后，就像普通文件一样使用open/read/write/close操作。

注意：打开FIFO会发生阻塞：一个进程以读打开，会阻塞等待另一个进程以写打开；反之亦然。

无名管道 vs 有名管道对比

|------------|-------------------|-------------------|
| 特性 | 无名管道 pipe | 有名管道 FIFO |
| 适用进程 | 仅父子 / 兄弟亲缘进程 | 本机任意进程 |
| 文件系统 | 无实体文件，内核缓冲区 | 生成 FIFO 特殊文件 |
| 创建方式 | pipe() | mkfifo() |
| 生命周期 | 进程全部退出自动销毁 | 文件存在，可手动 rm 删除 |

二、信号 Signal ------ 异步软中断通知

信号是Linux提供的异步通知机制，信号本身不携带大量业务数据，仅仅用来通知进程发生某个事件，相当于软件层面的中断。

常见信号列表

|--------------|-----------------|------------------------|
| 信号编号 | 宏名称 | 作用说明 |
| 2 | SIGINT | Ctrl+C，中断进程 |
| 3 | SIGQUIT | Ctrl+\，进程退出 |
| 9 | SIGKILL | 强制杀死进程，不能捕获、不能忽略 |
| 11 | SIGSEGV | 段错误，访问非法内存触发 |
| 13 | SIGPIPE | 管道破裂，写已经没有读端的管道 |
| 14 | SIGALRM | alarm 定时超时信号 |
| 17 | SIGCHLD | 子进程退出时，发送给父进程，用来回收僵尸进程 |
| 19 | SIGSTOP | 强制暂停进程，不可捕获忽略 |
| 10/12 | SIGUSR1、SIGUSR2 | 用户自定义预留信号，业务自己使用 |

信号三种处理方式

进程收到信号，可以选择下面三种处理：

SIG_IGN 忽略：收到信号直接无视，不做处理
SIG_DFL 默认处理：操作系统默认行为（终止、暂停、打印core转储等）
捕获信号：注册自定义处理函数，收到信号执行自己写的回调函数

signal注册信号函数

#include <signal.h>

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

signum：要处理的信号编号
handler：处理方式，SIG_IGN / SIG_DFL / 自定义回调函数地址
返回值：成功返回旧处理函数；失败返回SIG_ERR

注意：signal函数接口简单，但部分行为在不同版本Linux存在差异；正式项目推荐使用sigaction。

简单示例：捕获Ctrl+C信号，不直接杀死程序

#include <stdio.h>

#include <signal.h>

#include <unistd.h>

void sig_handler(int sig)

{

printf("收到信号 %d，程序不会直接退出\n", sig);

}

int main(void)

{

signal(SIGINT, sig_handler);

while(1)

{

sleep(1);

printf("程序运行中...\n");

}

return 0;

}