深入解析Linux进程间通信：从管道到POSIX IPC的全面指南

#include <unistd.h>
#include <iostream>

int main() {
    int fds[2];
    pipe(fds);  // 创建管道
    
    if (fork() == 0) {  // 子进程
        close(fds[0]);   // 关闭读端
        write(fds[1], "Hello", 6);
        close(fds[1]);
    } else {            // 父进程
        close(fds[1]);  // 关闭写端
        char buf[10];
        read(fds[0], buf, sizeof(buf));
        std::cout << "Received: " << buf << std::endl;
        close(fds[0]);
    }
    return 0;
}

匿名管道的底层实现

匿名管道是Linux中最基础的IPC方式，其实现基于内核的pipefs虚拟文件系统。当调用pipe()系统调用时，内核会执行以下操作：

在pipefs中创建一个inode和两个file结构体
分配一个固定大小的环形缓冲区（通常为4KB或16页）
返回两个文件描述符，分别对应读端和写端

关键数据结构：

struct pipe_inode_info {
    wait_queue_head_t wait;  // 等待队列
    unsigned int head;        // 写指针
    unsigned int tail;        // 读指针
    unsigned int max_usage;   // 缓冲区大小
    unsigned int readers;     // 读端计数
    unsigned int writers;     // 写端计数
    struct page *pages;       // 页面数组
};

管道的读写操作会触发内核的pipe_read()和pipe_write()函数，这些函数处理缓冲区管理、进程阻塞/唤醒等核心逻辑。

2. 命名管道：突破亲缘限制的通信方式

命名管道(FIFO)突破了匿名管道的限制，允许任意进程间通信。

核心特性：

文件系统可见：在文件系统中有一个对应的节点
无亲缘关系限制：任何进程都可以通过路径名访问
阻塞特性：默认情况下，打开FIFO会阻塞直到另一端也被打开

关键函数：

int mkfifo(const char* pathname, mode_t mode);  // 创建命名管道
int unlink(const char* pathname);               // 删除命名管道

典型应用：

// 服务端
NamedFifo fifo("myfifo", ".");  // 创建FIFO
FileOper server("myfifo", ".");
server.OpenForRead();
server.Read();

// 客户端
FileOper client("myfifo", ".");
client.OpenForWrite();
client.Write("Hello Server");

二、System V IPC：传统的进程通信三剑客

System V IPC是Unix System V引入的一组进程间通信机制，包括消息队列、共享内存和信号量。

1. System V消息队列

消息队列是一个消息的链表，允许进程通过发送和接收消息进行通信。

特点：

消息队列独立于进程存在
支持不同类型消息的优先级排序
消息可持久化，直到被显式删除

关键函数：

int msgget(key_t key, int msgflg);     // 创建/获取消息队列
int msgsnd(int msqid, void* msgp, size_t msgsz, int msgflg);  // 发送消息
ssize_t msgrcv(int msqid, void* msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);  // 接收消息

2. System V共享内存

共享内存允许多个进程访问同一块内存区域，是最高效的IPC方式。

特点：

零拷贝：进程直接读写内存，无需数据复制
需要同步机制配合（如信号量）
内核持久性：即使进程结束也会保留

关键函数：

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);  // 创建/获取共享内存
void* shmat(int shmid, const void* shmaddr, int shmflg);  // 附加共享内存
int shmdt(const void* shmaddr);  // 分离共享内存

3. System V信号量

信号量用于进程间的同步，控制对共享资源的访问。

特点：

支持信号量集：一次操作多个信号量
提供原子操作保证
内核持久性

关键函数：

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);  // 创建/获取信号量集
int semop(int semid, struct sembuf* sops, unsigned nsops);  // 信号量操作
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);  // 信号量控制

三、POSIX IPC：现代系统的通信标准

POSIX IPC是基于POSIX标准的进程间通信机制，相比System V IPC具有更简洁的API和更好的可移植性。

1. POSIX消息队列

与System V消息队列对比：

使用路径名而非键值标识
提供更丰富的特性，如消息优先级、超时等
更一致的错误处理机制

关键函数：

mqd_t mq_open(const char* name, int oflag, mode_t mode, struct mq_attr* attr);  // 打开/创建
ssize_t mq_receive(mqd_t mqdes, char* msg_ptr, size_t msg_len, unsigned* msg_prio);  // 接收
int mq_send(mqd_t mqdes, const char* msg_ptr, size_t msg_len, unsigned msg_prio);  // 发送

2. POSIX共享内存

改进之处：

使用文件描述符接口
与内存映射文件机制统一
更简单的权限管理

关键函数：

int shm_open(const char* name, int oflag, mode_t mode);  // 创建/打开
int ftruncate(int fd, off_t length);  // 设置大小
void* mmap(void* addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);  // 内存映射

3. POSIX信号量

两种类型：

命名信号量：通过名字标识，可用于进程间
匿名信号量：通常用于线程间，或通过共享内存用于进程间

关键函数：

sem_t* sem_open(const char* name, int oflag, mode_t mode, unsigned int value);  // 命名信号量
int sem_init(sem_t* sem, int pshared, unsigned int value);  // 匿名信号量
int sem_wait(sem_t* sem);  // 等待信号量
int sem_post(sem_t* sem);  // 释放信号量