本文深入解析进程间通信(IPC)的原理与应用，包括数据传输、资源共享、通知事件及进程控制等核心概念。探讨Linux系统下7种文件类型，重点介绍管道、信号、共享内存、消息队列、套接字、命名管道等IPC机制，特别是管道和FIFO(有名管道)的工作原理、特点及限制。
进程间通信目的
- 数据传输：一个进程需要将它的数据发送给另一个进程
- 资源共享：多个进程之间共享同样的资源。
- 通知事件：一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止 时要通知父进程）。
- 进程控制：有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另 一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变
IPC
linux系统下7中文件类型
-- 文件d 目录l 符号链接
伪文件：（不占用内存）s 套接字b 块设备c 字符设备p 管道
Linux 环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另 一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区， 进程 1 把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2 再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通 信（IPC，InterProcessCommunication）。
在进程间完成数据传递需要借助操作系统提供特殊的方法，如：文件、管道、信号、共享内存、消息队列、套 接字、命名管道等。随着计算机的蓬勃发展，一些方法由于自身设计缺陷被淘汰或者弃用。现今常用的进程间通信 方式有：- 管道 (使用最简单)
pipe（管道一般读写行为）
fifo（有名管道，用于非血缘关系） - 信号 (开销最小)
- 共享映射区 (无血缘关系)
- 本地套接字 (最稳定)
管道
管道的概念：
管道是一种最基本的 IPC 机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。调用 pipe 系统函数即可创建一 个管道。
管道特质：
- 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)
- 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。
- 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。
管道的原理:
管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。
管道的局限性：
- 数据自己读不能自己写。
- 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
- 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动
- 只能在有公共祖先的进程间使用管道
常见的通信方式
- 单工通信，只能收不能发
- 半双工通信，数据只能在一个方向上流动
- 全双工通信。
管道的特点
- 只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创 建，然后该进程调用fork，此后父、子进程之间就可应用该管道。
- 管道提供流式服务
- 一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程
- 一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥
- 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道
pipe 函数
int pipe (int pipefd[2] ); 成功：0；失败：-1，设置 errno
函数调用成功返回 r/w 两个文件描述符。无需 open，但需手动 close。规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像 0 对应标准输入，1 对应标准输出一样。向管道文件读写数据其实是在读写内核缓冲区。
管道创建成功以后，创建该管道的进程（父进程）同时掌握着管道的读端和写端。如何实现父子进程间通信呢？ 通常可以采用如下步骤：
-
父进程调用 pipe 函数创建管道，得到两个文件描述符 fd[0]、fd[1]指向管道的读端和写端。
-
父进程调用 fork 创建子进程，那么子进程也有两个文件描述符指向同一管道。
-
父进程关闭管道读端，子进程关闭管道写端。父进程可以向管道中写入数据，子进程将管道中的数据读出。 由于管道是利用环形队列实现的，数据从写端流入管道，从读端流出，这样就实现了进程间通信。
#include<stdio.h> #include<unistd.h> #include<stdlib.h> #include<string.h> int main(void) { int fd[2]; pid_t pid; int ret=pipe(fd); if(ret==-1) { perror("pipe error:"); exit(1); } pid = fork(); if(pid==-1){ perror("perror error:"); exit(1); }else if(pid==0){ //子进程 读数据 close(fd[1]);//关闭管道的写端 char buf[1024]; ret=read(fd[0],buf,sizeof(buf)); if(ret == 0){ printf("----\n"); } write(STDOUT_FILENO,buf,ret); }else{ //父进程写数据 sleep(1); close(fd[0]);//关掉管道的读端 write(fd[1],"hello pipe\n",strlen("hello pipe\n")); } }
管道的读写行为
使用管道需要注意以下 4 种特殊情况（假设都是阻塞 I/O 操作，没有设置 O_NONBLOCK 标志） ：
- 如果所有指向管道写端的文件描述符都关闭了（管道写端引用计数为 0），而仍然有进程从管道的读端读数 据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次 read 会返回 0，就像读到文件末尾一样。
- 如果有指向管道写端的文件描述符没关闭（管道写端引用计数大于 0），而持有管道写端的进程也没有向管 道中写数据，这时有进程从管道读端读数据，那么管道中剩余的数据都被读取后，再次 read 会阻塞，直到管道中有 数据可读了才读取数据并返回。
- 如果所有指向管道读端的文件描述符都关闭了（管道读端引用计数为 0），这时有进程向管道的写端 write， 那么该进程会收到信号 SIGPIPE，通常会导致进程异常终止。当然也可以对 SIGPIPE 信号实施捕捉，不终止进程。具 体方法信号章节详细介绍。
- 如果有指向管道读端的文件描述符没关闭（管道读端引用计数大于 0），而持有管道读端的进程也没有从管 道中读数据，这时有进程向管道写端写数据，那么在管道被写满时再次 write 会阻塞，直到管道中有空位置了才写 入数据并返回。
总结
读管道
- 管道中有数据，read 返回实际读到的字节数
- 管道中无数据：
(1) 管道写端被全部关闭，read 返回 0(好像读到文件结尾)
(2) 写端没有全部被关闭，read 阻塞等待(不久的将来可能有数据递达，此时会让出 cpu)
写管道
- 管道读端全部被关闭， 进程异常终止(也可使用捕捉 SIGPIPE 信号，使进程不终止)
- 管道读端没有全部关闭：
(1) 管道已满，write 阻塞。
(2) 管道未满，write 将数据写入，并返回实际写入的字节数。
管道缓冲区大小
可以使用 ulimit–a 命令来查看当前系统中创建管道文件所对应的内核缓冲区大小。通常为：
pipe size (512bytes,-p)8
也可以使用 fpathconf 函数，借助参数 选项来查看。使用该宏应引入头文件<unistd.h>
long fpathconf(int fd,int name); 成功：返回管道的大小 失败：-1，设置 errno
管道的优劣
优点：简单，相比信号，套接字实现进程间通信，简单很多。
缺点：
- 只能单向通信，双向通信需建立两个管道。
- 只能用于父子、兄弟进程(有共同祖先)间通信。该问题后来使用 fifo 有名管道解决。
FIFO
FIFO 常被称为命名管道，以区分管道(pipe)。管道(pipe)只能用于“有血缘关系”的进程间。但通过 FIFO，不相 关的进程也能交换数据。
FIFO 是 Linux 基础文件类型中的一种。但，FIFO 文件在磁盘上没有数据块，仅仅用来标识内核中一条通道。各 进程可以打开这个文件进行 read/write，实际上是在读写内核通道，这样就实现了进程间通信。
创建方式：
- 命令：mkfifo 管道名
- 库函数：
int mkfifo(const char*pathname, mode_t mode);成功：0； 失败：-1 一旦使用 mkfifo 创建了一个 FIFO，就可以使用 open 打开它，常见的文件 I/O 函数都可用于 fifo。如： close、 read、 write、unlink 等。
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