进程间的通信方式有哪些

在操作系统中，进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）是指在独立进程之间交换数据或消息的机制。由于不同进程具有独立的地址空间，因此 IPC 机制必须依赖内核或特定工具来实现数据共享和同步。

以下是常见的 6种进程间通信方式，每种方法都有其适用场景和特点：

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🔹 1. 管道 (Pipe)

➤ 原理

• 管道是一种半双工（单向）通信机制，数据只能沿一个方向流动。
• 通信的进程必须具有亲缘关系（如父子进程）。

➤ 特点

✅ 简单易用，基于文件描述符；
✅ 仅支持单向通信，数据流向固定；
✅ 适用于父子进程之间的通信；

➤ 示例代码 (C - pipe())

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

int main() {
    int fd[2];
    char buffer[100];

    pipe(fd);  // 创建管道

    if (fork() == 0) {  // 子进程
        close(fd[0]);  // 关闭读端
        write(fd[1], "Hello from child!", 18);
    } else {  // 父进程
        close(fd[1]);  // 关闭写端
        read(fd[0], buffer, sizeof(buffer));
        printf("父进程接收数据: %s\n", buffer);
    }

    return 0;
}

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🔹 2. 命名管道 (Named Pipe / FIFO)

➤ 原理

• 命名管道是一种改进版的管道，支持无亲缘关系的进程通信。
• FIFO 以文件形式存在，数据通过文件路径传输。

➤ 特点

✅ 可用于任意进程；
✅ 数据具有顺序性，遵循先进先出 (FIFO)；
✅ 支持持久化，FIFO 文件即使无进程使用仍存在；

➤ 示例代码 (C - mkfifo())

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

#define FIFO_PATH "/tmp/my_fifo"

int main() {
    mkfifo(FIFO_PATH, 0666);  // 创建命名管道

    if (fork() == 0) {  // 子进程
        int fd = open(FIFO_PATH, O_WRONLY);
        write(fd, "Hello from child!", 18);
        close(fd);
    } else {  // 父进程
        char buffer[100];
        int fd = open(FIFO_PATH, O_RDONLY);
        read(fd, buffer, sizeof(buffer));
        printf("父进程接收数据: %s\n", buffer);
        close(fd);
    }

    return 0;
}

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🔹 3. 消息队列 (Message Queue)

➤ 原理

• 消息队列是由内核维护的链表结构，用于存储消息，支持消息的优先级。

➤ 特点

✅ 数据以消息为单位，每条消息独立；
✅ 支持非亲缘进程；
✅ 消息具有持久性（即使发送进程退出，消息仍可被接收进程获取）。

➤ 示例代码 (Linux - msgsnd() / msgrcv())

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <string.h>

#define MSG_KEY 1234

typedef struct message {
    long msg_type;
    char msg_text[100];
} message;

int main() {
    int msgid = msgget(MSG_KEY, 0666 | IPC_CREAT);
    
    if (fork() == 0) {  // 子进程
        message msg = {1, "Hello from child!"};
        msgsnd(msgid, &msg, sizeof(msg.msg_text), 0);
    } else {  // 父进程
        message msg;
        msgrcv(msgid, &msg, sizeof(msg.msg_text), 1, 0);
        printf("父进程接收数据: %s\n", msg.msg_text);
        msgctl(msgid, IPC_RMID, NULL);  // 删除消息队列
    }

    return 0;
}

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🔹 4. 共享内存 (Shared Memory)

➤ 原理

• 共享内存是将一块内存映射到多个进程的地址空间中，速度最快。
• 需要借助同步机制（如信号量、互斥锁）确保数据安全。

➤ 特点

✅ 速度最快，直接访问内存；
✅ 支持大数据传输；
✅ 需借助同步机制避免数据竞争；

➤ 示例代码 (Linux - shmget() / shmat())

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>

#define SHM_KEY 1234

int main() {
    int shmid = shmget(SHM_KEY, 1024, 0666 | IPC_CREAT);
    char* str = (char*) shmat(shmid, NULL, 0);  // 映射到内存

    if (fork() == 0) {  // 子进程
        strcpy(str, "Hello from child!");
    } else {  // 父进程
        sleep(1);  // 等待子进程写入
        printf("父进程接收数据: %s\n", str);
        shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);  // 删除共享内存
    }

    return 0;
}

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🔹 5. 信号 (Signal)

➤ 原理

• 信号是异步通信机制，通常用于通知进程特定事件的发生。
• 信号无需建立连接，直接由内核触发。

➤ 特点

✅ 轻量级，系统调用简单；
✅ 适用于事件通知（如 Ctrl+C、超时提醒）；
✅ 不适合大数据传输；

➤ 示例代码 (C - signal())

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

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

int main() {
    signal(SIGINT, signalHandler);  // 捕获 Ctrl+C 信号
    while (1) {
        printf("等待信号...\n");
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

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🔹 6. 套接字 (Socket)

➤ 原理

• 套接字是一种全双工的通信机制，支持本地及网络中的进程通信。

➤ 特点

✅ 适用于分布式系统和远程进程通信；
✅ 提供TCP/UDP两种传输模式；
✅ 复杂度较高，适用于复杂场景；

➤ 示例代码 (C - socket() / bind() / send() / recv())

#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <string.h>

int main() {
    int server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));
    listen(server_fd, 3);

    int client_fd = accept(server_fd, NULL, NULL);
    send(client_fd, "Hello from server", 18, 0);

    return 0;
}

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📝 对比总结

通信方式	数据流向	速度	适用场景
管道 (Pipe)	单向	快速	父子进程间快速传输小量数据
命名管道 (FIFO)	单向	快速	无关进程间的快速数据交换
消息队列 (Message Queue)	双向	中等	带有优先级的消息传递
共享内存 (Shared Memory)	双向	极快	大量数据传输
信号 (Signal)	单向	快速	异步事件通知
套接字 (Socket)	双向	较慢	网络和本地进程间通信

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