Linux 进程通信管道、信号、共享内存、消息队列详解一、引言前面讲了多进程和多线程但进程之间如何交换数据总不能靠全局变量吧——进程的地址空间是隔离的你在进程 A 里定义的变量进程 B 压根看不到。这就是IPCInter-Process Communication进程间通信的用武之地。Linux 提供了丰富的 IPC 机制本文聚焦四种最常用的管道Pipe、信号Signal、共享内存Shared Memory、消息队列Message Queue。每种都给出可跑通的 C 代码示例帮你一次搞懂。二、四种 IPC 横评IPC 机制通信模式是否需要血缘关系数据量实时性复杂度管道半双工字节流需要通常父子进程中高低信号单向异步通知不需要极小仅信号编号高低共享内存直接读写内存不需要大极高中消息队列消息块收发不需要中中中三、管道Pipe管道是最简单的 IPC 方式本质是内核维护的一个环形缓冲区。数据从一端写入从另一端读出遵循 FIFO先进先出原则。#includestdio.h#includeunistd.h#includestring.hintmain(void){intfd[2];// fd[0]读端, fd[1]写端charbuf[128]{0};if(pipe(fd)-1){perror(pipe);return1;}pid_tpidfork();if(pid0){// 子进程关闭读端,只写close(fd[0]);constchar*msg爸爸,传感器数据来了: 26.5°C;write(fd[1],msg,strlen(msg));close(fd[1]);}else{// 父进程关闭写端,只读close(fd[1]);ssize_tnread(fd[0],buf,sizeof(buf)-1);if(n0){buf[n]\0;printf(父进程收到: %s\n,buf);}close(fd[0]);}return0;}关键点管道是半双工的数据只能单向流动。如果需要双向通信就得创建两根管道。另外管道只能用于有亲缘关系的进程间无亲缘关系的进程要用命名管道FIFO即mkfifo创建的/tmp/mypipe之类。管道的通信流向示意图父进程 子进程 | | close(fd[1]) close(fd[0]) | | read(fd[0]) ──── 内核缓冲区 ──── write(fd[1]) | | 接收数据 发送数据四、信号Signal信号是一种异步通知机制——内核或一个进程可以向另一个进程发送信号告诉它有事发生。信号不传递大量数据通常只起通知作用。常见信号一览信号编号含义SIGINT2终端中断CtrlCSIGKILL9强制杀死不可捕获SIGTERM15终止可捕获优雅退出SIGUSR110用户自定义信号1SIGCHLD17子进程状态变更SIGALRM14alarm 定时器超时SIGPIPE13向已关闭的管道写入#includestdio.h#includesignal.h#includeunistd.hvolatilesig_atomic_tflag0;voidsig_handler(intsigno){if(signoSIGUSR1){flag1;printf(收到 SIGUSR1,开始保存数据...\n);}}intmain(void){pid_tpidfork();if(pid0){// 子进程安装信号处理器signal(SIGUSR1,sig_handler);while(1){if(flag){printf(子进程正在保存数据到Flash...\n);flag0;}sleep(1);}}else{// 父进程5秒后向子进程发信号sleep(5);printf(父进程发送 SIGUSR1\n);kill(pid,SIGUSR1);sleep(2);kill(pid,SIGTERM);// 让子进程优雅退出}return0;}注意事项signal函数在不同 Unix 变体上行为有差异推荐使用sigaction信号处理函数中不要调用非异步安全的函数如printf严格来说不安全这里仅作演示volatile sig_atomic_t是信号处理函数中唯一保证安全的跨平台变量类型五、共享内存Shared Memory共享内存是最快的 IPC 方式——两个进程直接映射同一块物理内存数据在这块内存中读写完全绕过了内核中转。#includestdio.h#includestdlib.h#includestring.h#includesys/mman.h#includesys/stat.h#includefcntl.h#includeunistd.h#defineSHM_NAME/sensor_shm#defineSHM_SIZE256intmain(void){// 使用 POSIX 共享内存intfdshm_open(SHM_NAME,O_CREAT|O_RDWR,0666);ftruncate(fd,SHM_SIZE);char*shm_ptrmmap(NULL,SHM_SIZE,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);close(fd);pid_tpidfork();if(pid0){// 子进程写入数据sleep(1);strcpy(shm_ptr,{\temp\:26.5,\humidity\:65});printf(子进程写入: %s\n,shm_ptr);}else{// 父进程读取数据sleep(2);printf(父进程读取: %s\n,shm_ptr);// 清理munmap(shm_ptr,SHM_SIZE);shm_unlink(SHM_NAME);}return0;}编译时需加-lrt选项gcc-oshm_demo shm_demo.c-lrt使用共享内存的注意事项必须额外使用信号量或互斥锁来同步读写否则会产生竞态条件使用完毕后需munmap解除映射shm_unlink删除共享内存对象共享内存不受进程生命周期控制——如果忘记shm_unlink它会一直存在六、消息队列Message Queue消息队列介于管道和共享内存之间数据以消息块的形式传递每条消息有类型标识接收方可以按类型选择性接收。#includestdio.h#includestring.h#includesys/msg.h#includeunistd.h#defineMSG_TYPE_SENSOR1#defineMSG_TYPE_CMD2structmsgbuf{longmtype;charmtext[128];};intmain(void){key_tkeyftok(/tmp,M);intmsqidmsgget(key,IPC_CREAT|0666);pid_tpidfork();if(pid0){// 子进程接收消息structmsgbufmsg;for(inti0;i2;i){msgrcv(msqid,msg,sizeof(msg.mtext),0,0);printf(子进程收到[类型%ld]: %s\n,msg.mtype,msg.mtext);}}else{// 父进程发送消息structmsgbufmsg;msg.mtypeMSG_TYPE_SENSOR;strcpy(msg.mtext,温度26.5°C);msgsnd(msqid,msg,strlen(msg.mtext)1,0);msg.mtypeMSG_TYPE_CMD;strcpy(msg.mtext,启动风扇);msgsnd(msqid,msg,strlen(msg.mtext)1,0);sleep(2);msgctl(msqid,IPC_RMID,NULL);// 删除消息队列}return0;}消息队列的优势支持按消息类型选择性接收消息有边界不会像管道那样出现粘包问题独立于进程不要求亲缘关系七、IPC 选择指南需要传递大量数据 / \ 是 否 | | 共享内存 信号量 需要明确消息边界 / \ 是 否 | | 消息队列 父子进程 / \ 是 否 | | 管道 命名管道(FIFO)少量异步通知信号Signal亲缘进程单向数据流管道Pipe大量高频数据交换共享内存Shared Memory 同步机制有消息边界需求消息队列Message Queue八、总结四种 IPC 各司其职管道简单直接适合父子进程间的数据流信号轻量异步通知适合触发事件共享内存速度最快适合大数据量实时交互消息队列结构化消息按类型收发搞懂这四种日常嵌入式 Linux 开发中的进程通信需求基本就全覆盖了。
