进程间通信

_艾伦 耶格尔.2026-09-22 15:07

一、初步了解进程间通信

1、进程间通信的目的

  • 数据传输：一个进程需要将自身数据发送至另一个进程，完成数据交互。

  • 资源共享：多个进程共用系统同一类资源，避免资源重复分配、浪费。

  • 通知事件：一个进程向单个或一组进程发送消息，传递状态变更通知，典型场景为子进程退出后通知父进程。

  • 进程控制：部分进程需要全权管控另一个进程的执行流程、运行状态。

2、进程间通信的分类

  • 管道通信：匿名管道、命名管道

下文将按上述分类，逐一详细介绍各类进程间通信方式的原理、使用规则、代码实例及核心特点。

二、匿名管道

头文件：#include <unistd.h>

功能：创建无名管道，实现进程间数据传输

函数原型：int pipe(int fd2);

参数说明：fd 为文件描述符数组，其中 fd0 对应管道读端，fd1 对应管道写端

返回值：创建成功返回 0，失败返回错误编码

1、初识匿名管道

匿名管道无文件名、文件路径等可被其他进程检索的标识，无法被任意进程直接访问。它主要依靠 fork() 函数，让子进程继承父进程的管道文件描述符，因此仅支持有亲缘关系的进程通信。

匿名管道通信的核心本质：通信双方必须持有指向内核中同一个管道对象的文件描述符，才能完成数据交互。

2、父子进程共享管道的操作流程

  1. 父进程调用 pipe() 函数创建匿名管道，将管道读写两端绑定到文件描述符数组 fds 中；

  2. 父进程调用 fork() 创建子进程，子进程会完整继承父进程的 fds 数组，即同时拥有管道的读写文件描述符；

  3. 父子进程根据通信需求，各自关闭自身不需要的管道端口，形成单向通信的管道链路。

3、基于文件描述符的全程解析

系统默认进程的 0、1、2 号文件描述符分别对应标准输入、标准输出、标准错误，处于已占用状态。

第一步：父进程调用 pipe() 创建管道，系统会分配空闲的文件描述符，通常读端为 3 号、写端为 4 号，并将 3 号存入 fd0、4 号存入 fd1，此时父进程持有管道完整的读写权限。

第二步：父进程执行 fork() 生成子进程，子进程会完全复刻父进程的文件描述符表，同步继承管道的 3 号读端、4 号写端。此时内核中的同一个管道对象，被父子进程共同持有，存在两组读写端口。

第三步：为实现规范的单向通信，父子进程分别关闭无用端口。最终形成一个进程独占读端、一个进程独占写端的通信结构，避免数据读写混乱。

4、内核角度本质示意图

5、测试样例

cpp 复制代码 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <errno.h> 
#include <string.h> 
#define ERR_EXIT(m) \ 
do \ 
{ \ 
perror(m); \ 
exit(EXIT_FAILURE); \ 
} while(0) 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
int pipefd[2]; 
// 创建匿名管道 
if(pipe(pipefd)==-1) 
ERR_EXIT("pipe error"); 
pid_t pid; 
// 创建子进程 
pid=fork(); 
if(pid==-1) 
ERR_EXIT("fork error"); 
// 子进程逻辑：关闭读端，向管道写入数据 
if(pid==0) 
{ 
close(pipefd[0]); 
write(pipefd[1],"hello",5); 
close(pipefd[1]); 
exit(EXIT_SUCCESS); 
} 
// 父进程逻辑：关闭写端，从管道读取数据 
close(pipefd[1]); 
char buf[10] = {0}; 
read(pipefd[0], buf, 10); 
printf("buf=%s\n", buf); 
return 0; 
}

6、管道读写规则

（1）管道无数据可读时

  • 非阻塞模式关闭（默认状态）：read 函数阻塞，进程暂停执行，持续等待直到有进程向管道写入数据；

  • 非阻塞模式开启：read 函数直接返回 -1，错误码 errno 赋值为 EAGAIN。

（2）管道缓冲区写满时

  • 非阻塞模式关闭（默认状态）：write 函数阻塞，进程暂停执行，等待其他进程读取数据、释放缓冲区空间；

  • 非阻塞模式开启：write 函数直接返回 -1，错误码 errno 赋值为 EAGAIN。

（3）特殊读写场景

  • 若管道所有写端文件描述符全部关闭，read 函数读取完现有数据后会返回 0，代表管道数据传输结束；

  • 若管道所有读端文件描述符全部关闭，进程执行 write 操作会触发 SIGPIPE 信号，默认会导致当前写进程异常退出；

  • 单次写入数据量小于等于 PIPE_BUF 时，Linux 系统保证数据写入的原子性，数据不会穿插混乱；

  • 单次写入数据量大于 PIPE_BUF 时，系统不再保证写入原子性，多进程并发写入时可能出现数据交错。

7、匿名管道核心特点

  • 通信范围受限：仅支持有共同祖先、存在亲缘关系的进程通信，通常由父进程创建管道，通过 fork 传递给子进程使用；

  • 服务类型：提供流式数据传输服务，数据以字节流形式传递；

  • 生命周期：管道资源随进程消亡，所有关联进程退出后，内核自动释放管道资源；

  • 同步互斥机制：内核自动对管道的读写操作做同步与互斥处理，避免并发读写冲突；

  • 通信方式：半双工通信，数据仅能单向流动；若需双向交互，必须创建两个独立管道。

8、必须掌握的四种核心状态规则

管道状态 执行操作 最终执行结果
读端正常，管道缓冲区已满 write() 进程阻塞，等待缓冲区释放空闲空间
所有写端全部关闭 read() 管道有数据则正常读取，数据读取完毕后返回 0
所有读端全部关闭 write() 触发 SIGPIPE 信号；若忽略该信号，函数返回 -1，错误码为 EPIPE

三、命名管道（FIFO）

匿名管道的核心局限是仅支持亲缘进程通信，为实现无关联、独立进程之间的通信，系统提供了命名管道（FIFO）。命名管道本质是一种特殊的文件类型，可通过文件路径被任意进程访问。

命名管道的特殊性：普通文件的文件名对应磁盘上的实体数据，而命名管道的文件名仅存储在文件系统目录项中，用于让进程定位内核管道对象；真正的通信数据不存储在磁盘，而是存放在内核的管道缓冲区中。

简单映射关系： 普通文件：文件名 → 磁盘文件数据 命名管道：文件名 → 内核管道对象 → 内核管道缓冲区

1、命名管道的创建方式

（1）终端命令创建

$ mkfifo filename

（2）系统调用函数创建

函数原型：int mkfifo(const char *filename,mode_t mode);

功能：创建指定权限的命名管道文件

2、命名管道与匿名管道的核心区别

  • 匿名管道：通过 pipe() 函数直接创建并完成初始化打开，无实体文件；

  • 命名管道：通过 mkfifo() 函数创建管道文件，需通过 open() 函数手动打开后才能使用；

  • 核心共性：二者内核缓冲区、数据读写语义、通信规则完全一致；

  • 唯一差异：获取管道对象的方式不同，匿名管道依靠进程继承文件描述符，命名管道依靠文件路径查找内核管道对象。

3、命名管道打开规则

（1）以读模式打开 FIFO

  • 非阻塞模式关闭：进程阻塞等待，直到有其他进程以写模式打开该管道；

  • 非阻塞模式开启：直接打开成功，可立即等待读取数据。

（2）以写模式打开 FIFO

  • 非阻塞模式关闭：进程阻塞等待，直到有其他进程以读模式打开该管道；

  • 非阻塞模式开启：打开失败，函数返回 -1，错误码为 ENXIO。

4、代码实例

实例1：读取本地文件，写入命名管道

cpp 复制代码 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <errno.h> 
#include <string.h> 
#define ERR_EXIT(m) \ 
do \ 
{ \ 
perror(m); \ 
exit(EXIT_FAILURE); \ 
} while(0) 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
// 创建命名管道 
mkfifo("tp", 0644); 
// 打开本地待读取文件 
int infd; infd = open("abc", O_RDONLY); 
if (infd == -1) 
ERR_EXIT("open"); 
// 以写模式打开命名管道 
int outfd; 
outfd = open("tp", O_WRONLY); 
if (outfd == -1) 
ERR_EXIT("open"); 
// 循环读取文件数据，写入管道 
char buf[1024]; 
int n; 
while ((n=read(infd, buf, 1024))>0) 
{ 
write(outfd, buf, n); 
} 
// 关闭文件描述符 
close(infd); 
close(outfd); 
return 0; 
}

实例2：读取命名管道数据，写入目标文件

cpp 复制代码 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <errno.h> 
#include <string.h> 
#define ERR_EXIT(m) \ 
do \ 
{ \ 
perror(m); \ 
exit(EXIT_FAILURE); \ 
} while(0) 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
// 创建并打开备份目标文件 
int outfd; 
outfd = open("abc.bak", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644); 
if (outfd == -1) 
ERR_EXIT("open"); 
// 以读模式打开命名管道 
int infd; 
infd = open("tp", O_RDONLY); if (infd == -1) 
ERR_EXIT("open"); 
// 循环读取管道数据，写入目标文件 
char buf[1024]; 
int n;
while ((n=read(infd, buf, 1024))>0) 
{ 
write(outfd, buf, n); 
} 
// 关闭资源、删除管道文件 
close(infd); 
close(outfd); 
unlink("tp"); 
return 0; 
}

5、命名管道删除规则

通过 unlink 或 rm 命令删除命名管道文件时，仅会删除文件系统中的目录项，不会立刻回收内核中的管道资源。对于已经打开该管道的进程，仍可通过已持有的文件描述符正常通信。

只有当所有持有该管道文件描述符的进程全部关闭端口后，内核才会彻底回收管道缓冲区资源。删除目录项后，新的进程将无法通过路径找到该管道。

四、System V 共享内存

共享内存是 System V IPC 中效率最高的通信方式，核心原理是让多个进程映射同一块内核内存区域，进程可直接读写该内存，无需数据拷贝，极大提升通信效率。

1、共享内存示意图

2、共享内存核心数据结构

内核会为每一块共享内存维护一个 shmid_ds 结构体，用于记录内存属性、权限、运行状态等信息：

cpp 复制代码 
struct shmid_ds 
{ 
struct ipc_perm shm_perm; // 共享内存操作权限 
int shm_segsz; // 共享内存段大小（字节） 
__kernel_time_t shm_atime; // 最后一次挂载时间 
__kernel_time_t shm_dtime; // 最后一次卸载时间 
__kernel_time_t shm_ctime; // 最后一次属性修改时间 
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; // 创建进程PID 
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; // 最后一次操作进程PID 
unsigned short shm_nattch; // 当前挂载的进程数量 
unsigned short shm_unused; // 兼容保留字段 
void *shm_unused2; // 兼容保留字段 
void *shm_unused3; // 闲置保留字段 
};

3、共享内存核心操作函数

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

功能：将共享内存连接到进程地址空间

  • shmid：共享内存标识

  • shmaddr：指定连接的地址

  • shmflg：可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY 返回值 ：成功返回一个指针，指向共享内存首地址；失败返回(void *)-1

    int shmdt(const void *shmaddr);

功能：将共享内存段与当前进程脱离

  • shmaddr：由shmat返回的指针 返回值：成功返回0；失败返回-1

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

功能：用于控制共享内存

  • shmid：由shmget返回的共享内存标识码
  • cmd：将要采取的动作（有三个可取值）
    • IPC_STAT 获取共享内存属性
    • IPC_SET 修改共享内存属性
    • IPC_RMID 标记删除共享内存 补充：共享内存对象被标记为删除；已经映射它的进程仍然可以通过原来的映射访问这块内存，直到最后一个进程解除映射后，内核才真正回收它。（与命名管道类似）
  • buf：指向一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构 返回值：成功返回0，失败返回-1

4、实例

makefile

复制代码 
.PHONY:all
all:server client
client:client.c comm.c
	gcc -o $@ $^
server:server.c comm.c
	gcc -o $@ $^
.PHONY:clean
clean:
	rm -f client server

comm.h

cpp 复制代码 
#ifndef _COMM_H_
#define _COMM_H_
# include <stdio.h>
# include <sys/types.h>
# include <sys/ipc.h>
# include <sys/shm.h>
# define PATHNAME "."
# define PROJ_ID 0x6666
int createShm(int size);
int destroyShm(int shmid);
int getShm(int size);
# endif

comm.c

cpp 复制代码 
#include "comm.h"
static int commShm(int size, int flags)
{
key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
if(key < 0){
perror("ftok");
return -1;
}
int shmid = 0;
if( (shmid = shmget(key, size, flags)) < 0){
perror("shmget");
return -2;
}
return shmid;
}
int destroyShm(int shmid)
{
if(shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) < 0){
perror("shmctl");
return -1;
}
return 0;
}
int createShm(int size)
{
return commShm(size, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
}
int getShm(int size)
{
return commShm(size, IPC_CREAT);
}

server.c

cpp 复制代码 
#include "comm.h"
int main()
{
int shmid = createShm(4096);
char *addr = shmat(shmid, NULL, 0);
sleep(2);
int i = 0;
while(i++<26){
printf("client# %s\n", addr);
sleep(1);
}
shmdt(addr);
sleep(2);
destroyShm(shmid);
return 0;
}

client.c

cpp 复制代码 
#include "comm.h"
int main()
{
int shmid = getShm(4096);
sleep(1);
char *addr = shmat(shmid, NULL, 0);
sleep(2);
int i = 0;
while(i<26){
addr[i] = 'A'+i;
i++;
addr[i] = 0;
sleep(1);
}
shmdt(addr);
sleep(2);
return 0;
}
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