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Linux进程控制与进程间通信(IPC)全面指南

news 2025/6/26 12:25:23

Linux进程控制与进程间通信(IPC)全面指南

一、进程间通信(IPC)核心技术

1. 管道通信(PIPE)

适用场景：父子进程/兄弟进程等有亲缘关系的进程间通信

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);  // 创建匿名管道

管道特性：

半双工通信（数据单向流动）
读写端分离：pipefd[0]读端，pipefd[1]写端
默认容量：65535字节（可通过fcntl调整）
阻塞行为：
- 读空管道 → read阻塞
- 写满管道 → write阻塞
- 所有写端关闭 → read返回0(EOF)
- 所有读端关闭 → write触发SIGPIPE信号

2. 消息队列(Message Queue)

适用场景：任意进程间通信（无论是否有亲缘关系）

#include <sys/msg.h>
// 创建/获取消息队列
int msgget(key_t key, int msgflg);
// 发送消息
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
// 接收消息
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

关键操作：

// 生成唯一key
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);// 消息结构体模板
struct msgbuf {long mtype;     // 消息类型char mtext[1];  // 消息内容
};

系统管理命令：

ipcs -q        # 查看所有消息队列
ipcrm -q [id]  # 删除指定ID的消息队列

3. 共享内存(Shared Memory)

特点：速度最快的IPC方式，进程直接访问同一内存区域

#include <sys/shm.h>
// 创建/获取共享内存
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
// 附加到进程地址空间
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
// 分离共享内存
int shmdt(const void *shmaddr);

使用流程：

创建共享内存段（shmget）
附加到进程空间（shmat）
读写操作（直接内存访问）
分离共享内存（shmdt）
控制/删除（shmctl）

4. 信号量(Semaphore)

作用：进程间同步与互斥，解决资源共享冲突

#include <sys/sem.h>
// 创建/获取信号量集
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
// 信号量操作
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
// P操作（申请资源）
struct sembuf P = {0, -1, SEM_UNDO}; 
// V操作（释放资源）
struct sembuf V = {0, 1, SEM_UNDO};

典型应用场景：

保护共享内存的并发访问
控制多进程对临界资源的顺序访问

二、IPC机制对比分析

特性	管道(PIPE)	消息队列	共享内存	信号量
速度	中等	较慢	最快	中等
容量	64KB(默认)	系统限制	系统限制	-
关系限制	需亲缘关系	无限制	无限制	无限制
数据形式	字节流	结构化消息	原始字节	整数值
同步机制	内置阻塞	可选阻塞	需额外同步	内置同步
持久性	进程结束即销毁	显式删除	显式删除	显式删除

三、关键问题解析

1. 如何选择IPC机制？

高性能需求：共享内存+信号量
简单通信：亲缘进程用管道，非亲缘用消息队列
进程同步：信号量

2. 为什么共享内存需要额外同步？

共享内存不提供内置互斥机制，多进程同时写入会导致数据竞争。典型解决方案：

// 使用信号量保护共享内存
semop(sem_id, &P, 1);  // 进入临界区
/* 访问共享内存 */
semop(sem_id, &V, 1);  // 离开临界区

3. 消息队列消息丢失场景？

队列满时非阻塞写入（msgsnd返回-1）
接收进程崩溃且消息未设置持久化标志
系统重启未持久化的消息队列

四、实战应用场景

1. 日志收集系统

2. 多进程计算框架

// 主进程
shm_id = shmget(KEY, sizeof(Result), IPC_CREAT|0666);
result = (Result*)shmat(shm_id, NULL, 0);
sem_id = semget(KEY, 1, IPC_CREAT|0666);// 工作进程
for (int i=0; i<tasks; i++) {semop(sem_id, &P, 1);  // 加锁result->sum += compute(task[i]);semop(sem_id, &V, 1);  // 解锁
}

五、系统管理命令速查

命令	功能	示例
`ipcs`	查看所有IPC资源	`ipcs -a`
`ipcs -q`	查看消息队列	`ipcs -q -i <id>`
`ipcs -m`	查看共享内存	`ipcs -m -l`
`ipcs -s`	查看信号量	`ipcs -s -t`
`ipcrm -q <id>`	删除消息队列	`ipcrm -q 0x00001234`
`ipcrm -m <id>`	删除共享内存	`ipcrm -m 12345`