Linux软件编程学习笔记（八）：进程间通信详解（1）

前言

进程间通信（Inter-Process Communication，IPC）是指在操作系统中，不同进程之间交换数据和信息的技术。由于进程空间是独立的，每个进程独享自己的0-4G虚拟内存空间，因此需要借助特定的机制来实现进程间的数据交换。本文将详细介绍Linux下常用的进程间通信方式。

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一、进程间通信概述

1. 进程间通信的必要性

• 进程空间是独立的，无法直接访问其他进程的内存空间
• 多个进程协同工作需要进行数据交换
• 进程间通信是构建复杂应用程序的基础

2. 进程间通信的方法

1. 管道（无名管道、有名管道）
2. 信号
3. 消息队列
4. 共享内存
5. 信号灯

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二、管道通信

1. 无名管道

1.1 概念

无名管道只能用于具有亲缘关系的进程间通信（如父子进程之间）。

1.2 函数接口

pipe函数

int pipe(int pipefd[2]);

• 功能：创建一段用于进程间通信的内核缓存区
• 参数 ：
  • pipefd[0]：读文件描述符
  • pipefd[1]：写文件描述符
• 返回值：成功返回0，失败返回-1

1.3 管道特性

关于写端：

• 管道中有写端存在时：
  • 管道中有数据则阻塞等待直到数据被读出
• 管道中没有写端时：
  • 管道中有数据则直接读出
  • 管道中没有数据则直接结束，不需要阻塞等待

关于读端：

• 管道中有读端存在时：
  • 如果管道没有写满（64K），直接写入数据
  • 如果管道已写满，则需要有数据读出才能继续写入
• 管道中没有读端时：
  • 写入数据会产生管道破裂的错误，使进程直接退出

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2. 有名管道（FIFO）

2.1 概念

有名管道可以用于任意两个进程间的通信，不局限于具有亲缘关系的进程。

2.2 函数接口

mkfifo函数

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

• 功能：创建一个有名管道文件
• 参数 ：
  • pathname：有名管道的路径
  • mode：权限（如0664）
• 返回值：成功返回0，失败返回-1

2.3 特性说明

• 读写两端必须同时加入才能继续向下执行
• 如果只有读端或写端，则会阻塞等待直到另一端加入

2.4 聊天程序示例

write.c（负责发送数据）

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(void)
{
    int fd = open("/tmp/fifo", O_WRONLY);
    char buf[1024] = {0};
    
    while (1) {
        gets(buf);
        write(fd, buf, strlen(buf));
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

read.c（负责接收数据）

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main(void)
{
    mkfifo("/tmp/fifo", 0664);
    int fd = open("/tmp/fifo", O_RDONLY);
    char buf[1024] = {0};
    
    while (1) {
        read(fd, buf, sizeof(buf));
        printf("收到消息：%s\n", buf);
    }
    
    close(fd);
    return 0;
}

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三、信号通信

1. 信号概述

信号是内核层与应用层通信的一种机制，用于通知进程发生了某种事件。

2. 信号处理方式

1. 缺省：按照默认方式处理信号
2. 忽略：不处理信号
3. 捕捉：按照指定的方式处理信号

3. 常见信号类型

信号编号	信号名称	说明
2	SIGINT	从键盘输入Ctrl+C产生
3	SIGQUIT	从键盘输入Ctrl+\产生
9	SIGKILL	不能被忽略和捕捉
11	SIGSEGV	段错误信号
13	SIGPIPE	管道破裂信号
14	SIGALRM	定时时间到达信号
17	SIGCHLD	子进程结束信号
19	SIGSTOP	暂停信号
20	SIGTSTP	挂起信号（Ctrl+Z）

4. 函数接口

4.1 signal函数

typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

• 功能：改变信号的处理方式
• 参数 ：
  • signum：信号的编号
  • handler：
    • SIG_IGN：忽略信号
    • SIG_DFL：缺省处理信号
    • 自定义函数指针：捕捉信号
• 返回值：成功返回上一次注册的信号处理方式，失败返回SIG_ERR

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>

void handler(int signum)
{
    printf("收到信号：%d\n", signum);
}

int main(void)
{
    // 捕捉SIGINT信号
    signal(SIGINT, handler);
    
    // 忽略SIGQUIT信号
    signal(SIGQUIT, SIG_IGN);
    
    while (1) {
        sleep(1);
    }
    
    return 0;
}

4.2 pause函数

int pause(void);

• 功能：让进程睡眠，直到收到信号

4.3 alarm函数

unsigned int alarm(unsigned int seconds);

• 功能：隔seconds秒后给调用进程发送SIGALRM信号

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

void handler(int signum)
{
    printf("定时时间到！\n");
    alarm(2);  // 重新定时
}

int main(void)
{
    signal(SIGALRM, handler);
    alarm(2);  // 2秒后发送SIGALRM信号
    
    while (1) {
        pause();  // 等待信号
    }
    
    return 0;
}

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四、其他进程间通信方式

1. 消息队列

消息队列是内核中存放消息的链表，允许多个进程向同一个队列读写消息。

2. 共享内存

共享内存是最快的IPC方式，多个进程共享同一块物理内存区域，无需数据复制。

3. 信号灯

信号灯（信号量）主要用于进程间同步，控制多个进程对共享资源的访问。

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总结

本文详细介绍了Linux下进程间通信的几种主要方式：

1. 无名管道：适用于有亲缘关系的进程间通信
2. 有名管道：适用于任意进程间的通信
3. 信号：内核与应用层通信的异步通知机制

在实际开发中，需要根据具体场景选择合适的IPC方式：

• 简单数据流通信：使用管道
• 异步事件通知：使用信号
• 大量数据交换：使用共享内存
• 多个进程协同：使用消息队列或信号灯