进程之间如何“对话”？一篇讲清六种进程间通信方式

进程之间是隔开的------每个进程一张自己的页表，A 里写的 int x = 1，B 里根本看不到这个 x。这种隔离正是进程存在的意义，但也意味着两个进程想把数据递给对方，光靠自己读写内存是做不到的，必须绕一圈，借内核帮忙。

借道内核的方式有很多种，经典的六种是：管道、命名管道、消息队列、共享内存、信号量、Socket。它们解决的是同一件事，但各走各的路，代价和适用场景差很多。

管道 pipe

管道是最简单的一种：内核里开一块缓冲区，一头写、一头读。

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int fd[2];
pipe(fd);        // fd[0] 是读端，fd[1] 是写端

你肯定用过它，只是没注意：

shell 复制代码

ls | grep txt

这条命令里，ls 的标准输出和 grep 的标准输入之间那个 |，就是 shell 帮两个进程建的一个管道。

它的特点很明确：

单向。数据只能从写端流到读端，想双向得开两个管道。
没有名字 。它只是两个文件描述符，别的进程拿不到，所以只能给有亲缘关系 的进程用(靠 fork 把 fd 继承过去)。
字节流，没有边界 。写进去 hello 和 world，读端可能一次读成 helloworld，粘在一起，怎么切分要自己约定。

写端写满缓冲区(默认 64KB)会阻塞，读端读空了也会阻塞。所有写端都关掉后，读端会读到 EOF；所有读端都关掉后，写端再写会收到 SIGPIPE。这几条规则，就是 shell 里管道流式处理的底层。

命名管道 FIFO

管道限制在亲缘进程，太窄。命名管道(FIFO)就是给它加一个文件名：

shell 复制代码

mkfifo /tmp/myfifo

之后任何进程都能 open("/tmp/myfifo", ...)，跟打开普通文件一样。它和匿名管道在读写语义上完全一样------还是单向、还是字节流、还是写满就阻塞------唯一的区别就是有了名字，不认识的两个进程也能对接 。mkfifo 出来的文件在磁盘上不占数据块，它只是个路标，真正的缓冲还是在内存里。

消息队列

管道是"一连串字节"，消息队列是"一连串消息"。内核里维护一条链表，每个节点是一条有明确边界的消息。

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msgget(...);                 // 拿到队列 id
msgsnd(qid, &msg, len, 0);   // 发一条
msgrcv(qid, &msg, len, type, 0);  // 收一条

比管道多出来的能力：

有边界。一条是一条，不会像管道那样粘成一坨，收的人不用自己拼。
可以按类型取 。msgrcv 的 type 参数能指定只收某一类消息，不一定是先进先出。
有生命周期。队列挂在内核上，发送进程退出了队列还在，直到显式删除。

代价是每发一条要拷贝两次(用户态→内核，内核→另一进程的用户态)，量一大就慢。

共享内存

前面三种都是"内核帮你搬数据"，共享内存干脆不搬：把同一块物理内存映射进两个进程的地址空间。

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shmget(...);              // 申请一块共享内存段
shmat(shmid, NULL, 0);    // 映射到自己的地址空间，拿到指针

映射完成后，两个进程拿到的指针指向同一块物理页，一个写、另一个立刻能读到。没有拷贝，没有内核中转，是六种里最快的。

代价也来自这个"快"：内核只负责把它们接上，之后就撒手了，不提供任何同步。两个进程同时写同一块内存，读到什么全看运气。所以共享内存几乎从不单独用，一定要配一个同步手段------典型搭配就是下一节的信号量。

换个角度看，共享内存提供的其实是"通信的场所"，而不是"通信的机制"。交换数据靠它，协调谁先说谁后说，得靠信号量。

信号量

信号量不传数据，它管的是同步和互斥：谁可以进临界区、最多几个进程同时进。

它的语义是经典的 P/V 操作：

P(减)：把信号量减 1，如果已经是 0 就阻塞，等别人加回来。
V(加)：把信号量加 1，唤醒一个正在等的人。

初始化成 1，就是一把互斥锁(同一时刻只有一个进程能进)；初始化成 N，就是"最多 N 个并发"的限流器。配共享内存用的时候，就是每个进程访问共享内存前先 P、访问完 V，保证不会互相踩。

它和信号(signal)名字像，干的完全是两回事：信号量是"等你把资源让出来"，信号是"通知你出事了"，后者只能传一个编号，信息量太小，通常不单独算一种 IPC。

Socket

上面五种都有一个共同的局限------都在同一台机器上。Socket 是唯一能跨主机的：

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socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);   // 跨机器，走 TCP
socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);   // 本机，走文件路径

Socket 是全双工 的，两边可以同时发，而且天然支持多对多、跨网络。本机通信时用 AF_UNIX(UNIX 域套接字)，它走的是文件系统路径，不经过 TCP/IP 协议栈，比 AF_INET 快不少，这也是现在很多软件把本地服务从 TCP 换成 UNIX 域套接字的原因。

代价是它最"重"：要建连接、要管状态、走一遍协议栈。但换来的是通用性------别的五种都出不了这台机器，只有它行。CS162 Note5 的 IPC 一节里从 file 当通信通道的角度也铺过一遍，可以对照着看。

六种对比

方式	方向	有名 / 可跨进程	可跨机器	数据边界	拷贝次数	典型场景
管道	单向	无名，仅亲缘进程	否	字节流	内核缓冲，2 次	shell 的 `
命名管道	单向	有文件名，任意进程	否	字节流	2 次	本机不相关进程对接
消息队列	单向	内核对象，任意进程	否	有消息边界	2 次	结构化小消息
共享内存	双向	内核对象，任意进程	否	无(裸内存)	0 次	大数据量、高性能
信号量	无数据	内核对象，任意进程	否	------	------	同步 / 互斥
Socket	双向	有地址，任意进程	是	字节流(可加帧)	视实现，通常 2 次	网络通信、本地服务

把这张表横着读一遍，取舍就清楚了：共享内存零拷贝最快，代价是没同步，得自己加信号量兜着；消息队列、管道慢一些，但内核把同步和边界都替你想好了；想出这台机器，就只有 Socket 这一个选择。

还有一点要注意，这六种说的是"经典 IPC 机制"，实际写代码时在更上层还有别的选择------数据库、Redis、消息中间件，本质都是在 Socket 之上又包了一层。