C++进程间通信方式全解析：从管道到套接字实战代码示例

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引言

在操作系统中，进程间通信（IPC）是协调多进程协作的核心技术。不同的通信方式有各自的适用场景和性能特点。本文将通过代码实例详细讲解管道、消息队列、共享内存、信号量、信号和套接字等6种IPC方式，帮助开发者选择合适方案。

一、管道（Pipes）

1.1 匿名管道（无名管道）

特点：

仅限父子进程或兄弟进程间通信
半双工通信，数据单向流动
内核缓冲区大小有限（通常4KB）

C++代码示例：

#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <cstring>

int main() {
    int pipe_fd[2];
    char buffer[100];
    if (pipe(pipe_fd) == -1) { // 创建管道
        perror("pipe");
        return 1;
    }

    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) { // 子进程读数据
        close(pipe_fd[1]); // 关闭写端
        read(pipe_fd[0], buffer, sizeof(buffer));
        printf("Child received: %s\n", buffer);
        close(pipe_fd[0]);
    } else { // 父进程写数据
        close(pipe_fd[0]); // 关闭读端
        const char* msg = "Hello from parent!";
        write(pipe_fd[1], msg, strlen(msg)+1);
        close(pipe_fd[1]);
        wait(NULL); // 等待子进程
    }
    return 0;
}

关键点：pipe()返回两个文件描述符，pipe_fd[0]读，pipe_fd[1]写

1.2 命名管道（FIFO）

特点：

通过文件系统路径标识
无关进程可通信
支持多读多写

C++代码示例：

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

int main() {
    const char* fifo_path = "/tmp/my_fifo";
    mkfifo(fifo_path, 0666); // 创建命名管道
    
    int fd = open(fifo_path, O_WRONLY);
    write(fd, "Hello FIFO!", 12);
    close(fd);
    return 0;
}

注意：需先运行mkfifo创建管道文件，读写方需分别以O_WRONLY和O_RDONLY打开

二、消息队列（Message Queue）

特点：

消息按类型存储和读取
支持异步通信
存在消息长度和队列容量限制

C++线程安全队列实现：

#include <queue>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

template<typename T>
class SafeQueue {
private:
    std::queue<T> queue;
    std::mutex mtx;
    std::condition_variable cv;

public:
    void push(const T& item) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
        queue.push(item);
        cv.notify_one();
    }

    T pop() {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
        cv.wait(lock, [this]{ return !queue.empty(); });
        T item = queue.front();
        queue.pop();
        return item;
    }
};

说明：使用std::mutex和std::condition_variable实现同步

三、共享内存（Shared Memory）

特点：

零拷贝，直接操作内存
需配合信号量同步
适用于大数据量传输

POSIX共享内存示例：

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstring>

int main() {
    const char* name = "/my_shm";
    int fd = shm_open(name, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    ftruncate(fd, 1024); // 设置内存大小
    
    void* ptr = mmap(NULL, 1024, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    strcpy(static_cast<char*>(ptr), "Shared data"); // 写入数据
    
    munmap(ptr, 1024);
    close(fd);
    shm_unlink(name); // 删除共享内存对象
    return 0;
}

关键函数：shm_open创建对象，mmap映射内存

四、信号量（Semaphore）

作用：

控制对共享资源的访问
实现进程间互斥与同步

POSIX信号量示例：

#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    sem_t* sem = sem_open("/my_sem", O_CREAT, 0644, 1); // 初始值1
    sem_wait(sem); // P操作：获取信号量
    // 临界区代码
    sem_post(sem); // V操作：释放信号量
    sem_close(sem);
    sem_unlink("/my_sem");
    return 0;
}

注意：命名信号量通过路径标识，可用于无关进程

五、信号（Signal）

用途：

通知进程特定事件发生
如SIGINT（Ctrl+C）、SIGTERM（终止信号）

信号处理示例：

#include <csignal>
#include <unistd.h>

void handler(int sig) {
    printf("Received signal: %d\n", sig);
}

int main() {
    signal(SIGUSR1, handler); // 注册信号处理函数
    raise(SIGUSR1); // 发送信号
    return 0;
}

扩展：kill()函数可向指定进程发送信号

六、套接字（Socket）

特点：

支持跨网络通信
分为TCP（可靠）和UDP（高效）

TCP套接字示例：

// 服务端
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>

int main() {
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_in addr{AF_INET, htons(8080), INADDR_ANY};
    bind(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));
    listen(sockfd, 5);
    
    int client_fd = accept(sockfd, NULL, NULL);
    send(client_fd, "Hello client!", 13, 0);
    close(client_fd);
    close(sockfd);
    return 0;
}

流程：socket()→bind()→listen()→accept()→send()/recv()

总结与选择建议

通信方式	适用场景	性能	复杂度
管道	父子进程简单通信	中	低
消息队列	异步通信，松散耦合	中	中
共享内存	大数据量、实时性要求高	高	高
信号量	资源访问控制	高	中
套接字	跨网络通信	可变	高