【金丹·71】进程间通信：管道、共享内存、信号-开发者社区

【金丹·71】进程间通信：管道、共享内存、信号

码农修仙传 · 金丹期 · 第71篇
我是玄芯散人，带你从炼气修到大乘。

境界标识

╔══════════════════════════════════╗ ║ 金丹期 · 第71篇 ║ ║ 进程间通信：管道、 ║ ║ 共享内存、信号 ║ ║ pipe/fifo/shm/signal ║ ║ 预计阅读：18分钟 ║ ╚══════════════════════════════════╝

修仙引入

上一篇把每位弟子住独立洞府的事讲透了，每位弟子只能看到自己的虚拟地址空间，互相之间隔着一道无形的墙。可修真界不是孤岛，弟子之间要传信，要约斗，要买卖，急了还得紧急求救。怎么把一段话传给另一位弟子？怎么让两位弟子共用一块灵田？怎么在半夜喊醒一位闭关的弟子？

修真界里这是传讯使的事情，操作系统里这就是 IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）。管道用来单向流水传信，共享内存用来两人同看一卷经，信号用来紧急敲门，消息队列用来按类收件，套接字用来跨宗门传信。这些传讯使各有各的脾气，各有各的跑腿范围。这一篇把它们的脾气摸清楚，让你下次再选传讯方式时不抓瞎。

硬核主体

为什么进程间需要通信：修真界的传讯

每位弟子住在宗门划给他的独立洞府里，每位弟子有自己的虚拟地址空间，上一篇把这件事讲得很清楚。隔离带来安全与简单，但也带来代价：两位弟子没法直接"读对方的脑"。修真界里两位弟子要协作，得有规矩地交换消息。

操作系统里有五条规矩，对应五类 IPC。

第一条，管道（pipe）。父子弟子之间单向传信的竹筒。一端写、一端读，写满就阻塞，读空也阻塞。

第二条，FIFO（命名管道）。两个不相关的进程之间用一根带名字的竹筒传信。文件系统里有路径，谁打开谁用。

第三条，共享内存（shared memory）。两位弟子共看同一卷经书，速度最快，因为没有数据搬运。

第四条，信号（signal）。弟子之间紧急传信。一边给另一边发一个数字编号，另一边的接收函数被立刻打断。

第五条，消息队列与套接字。消息队列是贴标签的竹筐，跨进程收发的快递；套接字是飞剑，能跨主机送信。

修真比喻：传讯使各有分工。管道是府内信使，共享内存是公用典籍，信号是惊堂木敲一下，消息队列是带签收的快递，套接字是跨界飞剑。

管道：父子弟子的竹筒

管道是 Linux 里最简单的 IPC 机制，就是一块内核缓冲区加两个文件描述符：一个写端、一个读端。pipe(int fd[2])一次系统调用就建好这对描述符。父进程先建管道，再fork子进程。父子进程都拿到这对描述符，约定父写子读或者父读子写，另一端关掉。

// pipe_demo.c#include<unistd.h>#include<stdio.h>#include<string.h>#include<sys/wait.h>intmain(void){intfd[2];if(pipe(fd)<0){perror("pipe");return1;}pid_tpid=fork();if(pid==0){// 子进程：只读close(fd[1]);charbuf[64];intn=read(fd[0],buf,sizeof(buf));write(STDOUT_FILENO,buf,n);// 把收到的话打印出来close(fd[0]);return0;}// 父进程：只写close(fd[0]);constchar*msg="修真界里有什么\n";write(fd[1],msg,strlen(msg));close(fd[1]);wait(NULL);// 等子进程收完return0;}

跑一下输出"修真界里有什么"，管道跑通。

管道有两条值得记住的属性。第一个是字节流，没有消息边界。连续写两次"abc"和"def"，读端可能一次读到"abcdef"，也可能两次读到"abc"和"def"。调用方要自己定边界（长度前缀或分隔符）。第二个是阻塞。缓冲区满时再写，写端阻塞；缓冲区空时再读，读端阻塞。所有写端关掉之后，读端read返回 0，这就是 EOF（End Of File，文件结束）。所有读端关掉之后，再写会触发 SIGPIPE 信号，进程默认被杀。

修真比喻：管道是父子弟子之间一根中空竹筒。父端写、子端读，竹筒有上限（65536 字节左右），写满就堵。读端读到竹筒空就等；父端把竹筒口封了，子端就知道"信没了"，停止等。

命名管道 FIFO：不相关进程的带名竹筒

匿名管道只能在有亲缘关系的进程之间用，因为 fd 是 fork 出来的。FIFO（也叫命名管道）解决这个问题：在文件系统里建一个特殊文件，谁都能open它。

# mkfifo 建一个命名管道mkfifo/tmp/xianren_fifo# 一个终端写echo"剑气传书">/tmp/xianren_fifo# 另一个终端读cat/tmp/xianren_fifo

FIFO 的用法与匿名管道几乎一致。区别只在创建方式：pipe()改mkfifo()/open()，路径换了。

FIFO 也遵守字节流与阻塞这两条规矩。open一个 FIFO 时默认阻塞，直到另一端也open才返回，这也是常见的同步手段。

修真比喻：FIFO 是宗门告示板上挂出来的一根竹筒，谁都能去灌一口信，谁都能去舀一口读。竹筒还是同一根规矩，没有边界，写满堵、空了等。

共享内存：最快的 IPC，没有之一

管道要经过内核两次拷贝（用户 → 内核 → 用户）。共享内存省掉这两步。两位进程把同一段物理内存挂到各自的虚拟地址空间里，CPU 直接读那一段，写了对方立刻看到，没有数据搬运。

共享内存在 Linux 里有两种主流实现。第一种是 POSIX 共享内存，用/dev/shm下的文件加mmap。shm_open建一个共享内存对象，ftruncate设大小，mmap挂到进程地址空间。

// shm_posix.c#include<sys/mman.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<unistd.h>#include<stdio.h>#include<string.h>intmain(void){// 建或打开一个共享内存对象，名字 /xianren_shmintfd=shm_open("/xianren_shm",O_CREAT|O_RDWR,0666);ftruncate(fd,4096);// 设大小为 4KB// 挂到本进程地址空间char*buf=mmap(NULL,4096,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);if(buf==MAP_FAILED){perror("mmap");return1;}// 第一次跑：写// 后续跑：读if(fork()==0){// 子进程：读sleep(1);// 等父写完printf("子进程读到: %s\n",buf);munmap(buf,4096);close(fd);}else{// 父进程：写strcpy(buf,"灵力数据");wait(NULL);munmap(buf,4096);close(fd);shm_unlink("/xianren_shm");}return0;}

第二种是 System V 共享内存，shmget/shmat/shmdt/shmctl这一套老接口。shmget给一个 key 创建或打开共享内存段，返回一个标识符；shmat把它挂到当前进程；shmdt解除挂接；shmctl控制（删除、改权限等）。功能上和 POSIX 那套等价，只是接口老了三十年。

// shm_sysv.c (精简版)#include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>#include<stdio.h>#include<string.h>intmain(void){intid=shmget(0x1234,4096,IPC_CREAT|0666);char*buf=shmat(id,NULL,0);if(fork()==0){sleep(1);printf("读到: %s\n",buf);shmdt(buf);}else{strcpy(buf,"灵力传输");wait(NULL);shmdt(buf);shmctl(id,IPC_RMID,NULL);// 删除共享内存段}return0;}

修真比喻：共享内存是宗门设在大殿里的一卷公用经书，两位弟子各派一个分身去翻同一卷。分身看到的内容永远一致，谁翻了一页，另一位的分身立刻看到新页。速度最快，因为不用传信使。

共享内存的代价：没有内建同步。两位弟子同时改同一行，分身会读到不一致的内容。必须自己加锁，POSIX 信号量或 System V 信号量都行。这是后面 077 锁家族那一篇的内容。

信号：进程间的惊堂木

管道和共享内存都是"传输数据"，信号只传一个整数编号，含义由收发双方约定。SIGINT是终端按 Ctrl+C 时发的，SIGSEGV是段错误，SIGKILL是强制杀死，SIGCHLD是子进程退出，SIGALRM是定时器到时。

// signal_demo.c#include<signal.h>#include<stdio.h>#include<unistd.h>voidon_sigint(intsig){// 收到 Ctrl+C 时执行write(STDOUT_FILENO,"\n弟子告辞\n",14);_exit(0);}intmain(void){signal(SIGINT,on_sigint);// 注册 SIGINT 处理函数（教学用 signal；生产推荐 sigaction）while(1){puts("弟子在修炼...");sleep(1);}return0;}

跑起来按 Ctrl+C，会打印"弟子告辞"再退出。注册的处理函数被打断后由内核调度执行。

信号有两个特别需要记住的约束。第一个是"信号安全"。信号处理函数里能调用的函数是受限的，printf这种用全局缓冲区的函数不安全，应该用write或者标志位加主循环判断。第二个是"不可重入"。同一个信号在处理函数还没返回时再次到达，标准信号默认丢弃后续到达的同号信号（只记一次），实时信号才会排队。SIGKILL和SIGSTOP不能被捕获、不能被阻塞，是内核给进程的"最后通牒"。

修真比喻：信号是惊堂木。某弟子执事敲一下，所有弟子停下手头的事去看执事写了什么数字。数字含义由宗门约定：1=集合，2=解散，9=立刻闭关被打断。敲惊堂木不传数据，只传紧急程度和约定编号。

修真界里惊堂木还有一个特点：惊堂木敲下去不能撤销。即使弟子正在闭关，一旦惊堂木敲了某条，立刻打断。这就是异步通知的意思。

消息队列：贴标签的快递

消息队列把"消息"作为单位传，每条消息有类型和数据。msgsnd往队列里塞一条，msgrcv从队列里按类型取一条。它在进程退出时会保留消息（默认），适合"留给下一个接手的人"这种情形。

// msgq_demo.c (精简)#include<sys/msg.h>#include<stdio.h>#include<string.h>structmsg{longtype;chartext[64];};intmain(void){intqid=msgget(0x5678,IPC_CREAT|0666);structmsgm={.type=1};if(fork()==0){msgrcv(qid,&m,sizeof(m.text),1,0);printf("子收到: %s\n",m.text);}else{strcpy(m.text,"修真任务");msgsnd(qid,&m,sizeof(m.text),0);wait(NULL);msgctl(qid,IPC_RMID,NULL);}return0;}

消息队列和管道比，多了"类型"这一项。读端可以"只收 type=1 的"，其他留在队列里。

修真比喻：消息队列是带标签的竹筐。筐里每封信都贴了类型标签（紧急/普通/汇报），收信人按标签取走自己想看的那类。筐放在告示板上，下一个来的弟子也能取。

套接字：跨机器的飞剑

套接字（socket）才是 IPC 的终极形态，因为它能跨主机。Linux 上的 socket API 起源于 BSD 1983 年那一套，本地 IPC 用 AF_UNIX（也叫 AF_LOCAL）族，跨主机用 AF_INET（IPv4）/ AF_INET6（IPv6）。

// unix_socket_server.c (精简)#include<sys/socket.h>#include<sys/un.h>#include<stdio.h>#include<unistd.h>intmain(void){intsrv=socket(AF_UNIX,SOCK_STREAM,0);structsockaddr_unaddr={.sun_family=AF_UNIX};strcpy(addr.sun_path,"/tmp/xianren.sock");unlink("/tmp/xianren.sock");bind(srv,(structsockaddr*)&addr,sizeof(addr));listen(srv,1);intcli=accept(srv,NULL,NULL);charbuf[64];intn=read(cli,buf,sizeof(buf));write(STDOUT_FILENO,buf,n);close(cli);close(srv);unlink("/tmp/xianren.sock");return0;}

把AF_UNIX换成AF_INET再加上 IP + 端口，就能跨主机通信。这正是 084 网络编程那一篇要展开的内容，本篇先提一句：套接字是修真界的飞剑，能在宗门之间传信。

修真比喻：套接字是修真界的飞剑。本地用竹筒（AF_UNIX 文件路径当地址），跨宗用罗盘定位（AF_INET IP+端口）。想发给哪台机器的哪个弟子，把信绑在飞剑上指定坐标即可。

各 IPC 机制对比：什么情形用什么

修真界传讯使有五位。怎么挑？给一张速查表。

机制	传输粒度	跨主机	速度	适用范围
匿名管道 pipe	字节流	否	中	父子进程简单传数据
命名管道 FIFO	字节流	否	中	不相关进程单向传数据
共享内存 shm	内存页	否	极快	大数据量传输、低延迟场合
信号 signal	整数编号	否	快	异步通知、强制控制
消息队列 msgq	结构化消息	否	中	带类型的消息、跨进程持久
套接字 socket	字节流/消息	是	中/慢	跨主机、本地复杂通信

挑选思路。

要传的数据量大、追求最低延迟，选共享内存。视频处理可以用，内存数据库可以用，要做零拷贝日志还是用。

只是简单的命令触发或父子进程传一小段配置，管道最省事。bash的cmd1 | cmd2就是匿名管道。

要"远程控制"或"紧急打断"，用信号。守护进程收到 SIGHUP 重新读配置，按 Ctrl+C 终止进程，这些是信号的强项。

要给消息分类、留待后续处理，消息队列合适。它的类型字段让消费端可以"只拿我关心的"，消息也不会因为发送方立刻退出而丢。

跨主机情形只有套接字能搞定。分布式服务基于 socket，远程 RPC 基于 socket，跨数据中心通信也是 socket。

修真比喻：选传讯使的法门有三步。第一步看距离：府内传信是管道，跨府传信是套接字。第二步看时效：传大宗货物（共享内存）一站到底，递紧急口令（信号）一敲即达。第三步看规矩：消息要贴标签上筐（消息队列），裸传一串字节就用管道。

修真界里这一条规则最为常用："数据量大就共享内存，简单通信用管道，紧急打断用信号，跨主机用套接字。"四句话记牢，面试遇到 IPC 选择题基本稳。

修仙术语对照表

修仙术语	技术现实	本篇位置
传讯使	IPC 进程间通信	为什么需要通信
父子弟子竹筒	匿名管道 pipe	管道
告示板挂的竹筒	命名管道 FIFO	命名管道
写满堵、空了等	管道阻塞行为	管道
信没了的标志	读端 EOF	管道
共用一卷经书	共享内存 shared memory	共享内存
分身翻经书	mmap 挂接共享内存	共享内存
System V 老规矩	shmget/shmat 旧接口	共享内存
惊堂木	信号 signal	信号
最后通牒	SIGKILL/SIGSTOP 不可捕获	信号
贴标签的竹筐	消息队列 msgq	消息队列
跨宗飞剑	套接字 socket	套接字
府内传信	AF_UNIX 本地套接字	套接字
罗盘定位	AF_INET IP+端口	套接字
选传讯使三步法	IPC 选择口诀	对比

进阶条件

看完这一篇到能向别人讲清"五种 IPC 各用在什么情形"，差这几条：

能讲清匿名管道为什么只能在有亲缘关系的进程间用（fd 是 fork 出来的）
能讲清管道字节流特性的实际后果（调用方要自己定边界，长度前缀或分隔符）
能讲清管道什么时候触发 SIGPIPE（所有读端都关掉再写）
能说出共享内存为什么是最快的 IPC（省掉内核两次拷贝）
能讲清共享内存为什么必须自己加同步（多进程并发改同一段会不一致）
能列出 mmap 共享内存与 shmget 共享内存的接口差异
能说出 SIGKILL 和 SIGSTOP 为什么不能被捕获（内核的最后通牒）
能讲清信号处理函数为什么不能调 printf（不可重入 + 全局缓冲区）
能说出消息队列与管道比多出来的一项能力（消息类型 + 持久）
能讲清套接字为什么是 IPC 的终极形态（AF_UNIX 本地 + AF_INET 跨主机）

最后一条是金丹期对"IPC 选择"的"分水岭"。面试里被问"什么情形用什么 IPC"，能直接说出"数据量大用共享内存，简单通信用管道，紧急打断用信号，跨主机用套接字"这套四句口诀，这一关就过了。

下期预告 + 互动

上一篇把虚拟内存与这一篇把 IPC 都讲完了。可操作系统还要管一样东西：弟子辛辛苦苦攒的灵石怎么存到宗门仓库里？宗门仓库怎么组织？下一篇讲文件系统，把数据落到硬盘上的整套规矩拆开看。inode、目录树这些都会展开，VFS与ext4也都会讲到，看完之后再有人问"文件是怎么存到硬盘上的"，你能直接答出来。

现在问你：

🔍 跑一下ls -l /proc/self/fd/，看看你自己的进程打开了哪些 fd。除了 0、1、2 这三件套之外还有没有别的 fd？跑一个命令管道（比如ls / | grep xren），用pidof拿到grep的 pid，再ls -l /proc/<pid>/fd/看看 pipe 的两端是谁。