Linux 进程间通信（IPC）：信号、消息队列、共享内存与信号量详解

1. 引言

在 Linux 多进程编程中，进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）是核心话题。本文将系统梳理信号（Signal）以及 System-V IPC 的三大件：消息队列、共享内存、信号量，涵盖核心 API、参数含义、注意事项与生活化比喻，帮助读者快速建立知识框架。

2. 信号（Signal）

信号是 Linux 中一种异步通知机制，用于告知进程发生了某个事件。这里重点介绍两个最常用的信号发送函数：alarm 和 kill。

2.1 alarm：定时闹钟

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

• 参数 ：seconds 秒数
• 返回值：上一次 alarm 剩余秒数；没有则返回 0
• 作用 ：隔 seconds 秒之后，给当前进程发送 SIGALRM 闹钟信号
• 注意点 ：
  • 调用 alarm 会覆盖上一次闹钟
  • seconds=0 代表取消闹钟
  • 闹钟信号只会发一次
• 比喻：手机定时闹钟，到点给你发提醒，响一次就结束

2.2 kill：发送信号

int kill(pid_t pid, int sig);

• 参数 ：
  • pid：目标进程 ID
  • sig：要发送的信号编号
• 返回值：成功返回 0；失败返回 -1
• 作用：向 pid 对应的进程发送指定信号
• 注意点 ：
  • 不是只能杀死进程，可以发任意信号
  • 权限不够会失败
  • pid>0 发给指定进程
• 比喻：给别的程序发一条通知消息，可以是终止、暂停等不同指令

3. IPC 对象总览

System-V IPC 包含三类对象：消息队列、共享内存、信号量。

每一个 key（由 ftok 生成），可以同时拥有：1 个消息队列 + 1 块共享内存 + 1 组信号量数组。

查看与删除命令：

ipcs -q/m/s      # 查看消息队列/共享内存/信号量
ipcrm -Q/M/S key # 通过key删除对象
ipcrm -q/m/s id  # 通过id号删除对象

3.1 ftok：生成 IPC 的 key 值

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

• 参数 ：
  • pathname：存在的文件路径
  • proj_id：项目 ID，只使用低 8 位
• 返回值：成功返回 key_t 类型 key；失败返回 -1
• 作用：根据文件路径 + 项目 ID，生成一个唯一 key，作为 IPC 对象名字
• 注意点 ：
  • path 文件不能删除
  • 不同文件 + 相同 proj_id 得到不同 key
• 比喻：根据文件和编号生成一个房间门牌号，进程之间靠这个门牌号找到同一个 IPC 对象

4. 消息队列

消息队列是内核维护的一个消息链表，进程可以向其中投递或读取消息。

流程 ：ftok 生成 key → msgget 创建消息队列 → msgsnd 发消息 → msgrcv 收消息 → msgctl 删除队列

4.1 msgget：创建/获取消息队列

int msgget(key_t key, int msgflg);

• 参数 ：
  • key：ftok 得到的 key 值
  • msgflg：IPC_CREAT 不存在就创建；IPC_EXCL 存在就报错；还要或上权限 0666
• 返回值：成功返回消息队列 ID；失败 -1
• 作用：根据 key 创建 / 打开消息队列，拿到操作 id
• 注意点 ：key 填 IPC_PRIVATE 会创建私有队列，只能父子进程使用
• 比喻：拿到信箱的编号，后续收发信件都用这个编号

4.2 msgsnd：发送消息

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

• 参数 ：
  • msqid：消息队列 id
  • msgp：自定义消息结构体首地址，第一个成员必须是 long mtype（消息类型）
  • msgsz：消息正文字节大小，不包含 mtype
  • msgflg：一般写 0，队列满时阻塞；IPC_NOWAIT 队列满直接返回不阻塞
• 返回值：成功 0；失败 -1
• 作用：往消息队列投递一条消息
• 注意点：消息结构体格式强制要求；msgsz 只算数据部分，不要把 long 类型算进去
• 比喻：把信件投入信箱

4.3 msgrcv：接收消息

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

• 参数 ：
  • msqid：队列 id
  • msgp：存放消息的缓冲区
  • msgsz：缓冲区最大字节数（正文）
  • msgtyp：要接收哪一类消息；0 读取队列第一条；正数读取对应类型消息
  • msgflg：0 没有消息就阻塞等待；IPC_NOWAIT 无消息直接返回
• 返回值：成功返回收到的正文字节数；失败 -1
• 作用：从消息队列取出消息，可以按消息类型筛选
• 注意点：可以定向接收某一类消息；消息读完队列就删掉这条消息
• 比喻：从信箱取出信件，可以指定只拿某一类信件

4.4 msgctl：消息队列控制

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

• 参数 ：
  • msqid：队列 id
  • cmd：
    • IPC_STAT：获取队列状态信息
    • IPC_SET：修改权限
    • IPC_RMID：删除消息队列
  • buf：状态结构体指针；删除时传 NULL
• 返回值：成功 0；失败 -1
• 作用：获取状态、修改权限、销毁消息队列
• 注意点 ：程序退出消息队列不会自动销毁，必须手动 IPC_RMID 或者 ipcrm 命令删除，否则会残留在系统
• 比喻：查看信箱信息、修改信箱权限、拆掉整个信箱

练习：send.c 终端读字符串发送消息队列；recv.c 读取消息打印输出。

5. 共享内存

共享内存是 IPC 里面速度最高 的方式，直接映射物理内存到进程虚拟地址，不需要拷贝数据；但是没有自带同步机制，一般配合信号量做互斥。

操作步骤：

1. ftok 生成 key
2. shmget 创建 / 打开共享内存，拿到 shmid
3. shmat 将共享内存映射到当前进程虚拟地址空间，得到内存指针
4. 直接读写这块内存
5. shmdt 解除映射（只是断开本进程，不销毁共享内存）
6. shmctl (IPC_RMID) 销毁共享内存对象

5.1 shmget：创建共享内存

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

• 参数 ：
  • key：ftok 生成 key
  • size：共享内存字节大小，一般是 4096 整数倍（页大小）
  • shmflg：IPC_CREAT|0666；IPC_EXCL 存在报错
• 返回值：成功返回共享内存 id；失败 -1
• 作用：创建一块共享内存，申请物理内存页
• 注意点：size 建议按页对齐；创建之后 size 不能修改
• 比喻：申请一块公共黑板，多个进程都可以来这块黑板写字

5.2 shmat：映射共享内存

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

• 参数 ：
  • shmid：共享内存 id
  • shmaddr：填 NULL，让操作系统自动选虚拟地址（推荐）
  • shmflg：0 可读可写；SHM_RDONLY 只读映射
• 返回值 ：成功返回映射后的虚拟地址指针；失败 (void*)-1
• 作用：把共享内存挂载到自己进程地址空间，拿到指针直接读写
• 注意点：返回值是 void*，需要强转成自己需要的类型；出错返回 -1，判断不能直接 ==NULL
• 比喻：把公共黑板搬到自己家窗户边，伸手就能读写黑板内容

5.3 shmdt：解除映射

int shmdt(const void *shmaddr);

• 参数 ：shmaddr：shmat 返回的映射首地址
• 返回值：成功 0；失败 -1
• 作用：断开当前进程和共享内存的映射
• 注意点 ：shmdt 不会销毁共享内存对象，只是当前进程不能再访问；别的进程还能用
• 比喻：把自家窗户关上，看不到黑板了，黑板本身还在

5.4 shmctl：共享内存控制

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

• 参数 ：
  • shmid：共享内存 id
  • cmd：
    • IPC_STAT 获取状态
    • IPC_SET 修改权限
    • IPC_RMID 标记销毁共享内存
  • buf：状态结构体，删除时传 NULL
• 返回值：成功 0；失败 -1
• 作用：获取状态、修改权限、销毁共享内存
• 注意点 ：IPC_RMID 只是标记删除；所有进程都 shmdt 解除映射之后，内存才真正释放
• 比喻：标记黑板要拆掉；等所有人都离开黑板之后，黑板才真正拆除

6. 信号量（System-V 有名信号量数组）

信号量本质是计数器，用来做进程互斥、同步；不是用来传数据，是用来做锁。

流程 ：ftok 生成 key → semget 创建信号量数组 → semctl 初始化信号量初值 → semop P/V 操作（申请 / 释放锁）→ semctl IPC_RMID 删除信号量数组

6.1 semget：创建信号量数组

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

• 参数 ：
  • key：ftok 的 key
  • nsems：信号量数组里面有多少个信号量
  • semflg：IPC_CREAT|0666；IPC_EXCL 存在报错
• 返回值：成功返回信号量集合 id；失败 -1
• 作用：创建一组（多个）信号量
• 注意点：nsems 是数组元素个数；比如只需要一把锁填 1
• 比喻：申请一组门禁计数器，可以有多把锁

6.2 semctl：信号量控制

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);

• 参数 ：
  • semid：信号量集合 id
  • semnum：操作数组里面第几个信号量，下标从 0 开始
  • cmd：
    • SETVAL：设置信号量初值（初始化锁）
    • IPC_RMID：删除整个信号量数组，此时 semnum 忽略
• 返回值：成功返回 0；失败 -1
• 作用：初始化信号量、删除信号量集合
• 注意点 ：创建完信号量默认值是随机，必须手动 SETVAL 初始化，这是高频踩坑点
• 比喻：给门禁锁设置初始可用数量；拆掉整套门禁

6.3 semop：P/V 操作

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

• 参数 ：
  • semid：信号量集合 id
  • sops：struct sembuf 操作数组，一次可以做多组 P/V
  • nsops：sops 数组有多少个元素
• 返回值：成功 0；失败 -1
• 作用：P 操作（申请锁，sem_op=-1）；V 操作（释放锁，sem_op=+1）

struct sembuf
{
    unsigned short sem_num;  // 操作第几号信号量
    short sem_op;            // 操作类型：-1 为 P 操作，+1 为 V 操作
    short sem_flg;           // 一般填 0
};

• 比喻：P 操作是进门拿钥匙（锁的数量减一），V 操作是出门还钥匙（锁的数量加一）

7. 总结

机制	核心 API	特点	典型用途
信号	alarm / kill	异步通知，非数据传输	定时、进程控制
消息队列	msgget / msgsnd / msgrcv / msgctl	按类型收发，有格式要求	结构化消息传递
共享内存	shmget / shmat / shmdt / shmctl	速度最快，无同步机制	大数据量高频读写
信号量	semget / semctl / semop	计数器，做锁	互斥与同步

理解这些 IPC 机制，是掌握 Linux 多进程协作的关键。建议结合代码练习，重点体会共享内存与信号量的配合使用。