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分裂的王国——进程间通信

news 2025/8/12 8:27:42

🌐 序章：分裂的王国

在 Linux 内核大陆 的深处，有无数 进程城邦，各自独立运行，拥有自己的内存城堡与代码律法。它们本应互不干涉，可当危机降临——用户请求激增，数据必须共享，任务必须协同——它们必须学会“说话”。

但问题来了：

“进程之间，如何通信？”

没有魔法，只有 系统调用；没有语言，只有 消息的密语。

这时，一位身穿代码长袍的旅者——小信，被召唤而来，任务是重建失联的城邦，让信息再次流动。

🚪 第一章：匿名管道 —— `pipe()` 的秘密通道

小信来到 父子城，发现父亲进程（PID=1001）与儿子进程（PID=1002）无法传递数据。

“我们共享血脉（代码与文件描述符），却无法传话！”父亲叹息。

小信微微一笑：“我有 匿名管道（pipe），一条单向的秘密通道。”

她施展咒语：

int fd[2];pipe(fd);  // 创建管道：fd[0]=读端，fd[1]=写端if (fork() == 0) {// 子进程：写入消息close(fd[0]);  // 关闭读端write(fd[1], "Hello from child", 17);close(fd[1]);} else {// 父进程：读取消息close(fd[1]);  // 关闭写端char buf[100];read(fd[0], buf, 100);printf("Parent received: %s\n", buf);close(fd[0]);}

刹那间，一条光之隧道在父子之间架起，消息如溪流般流淌。

“pipe 只能在有亲缘关系的进程间使用，”小信说，“它是血缘的低语。”

📮 第二章：命名管道 —— `FIFO` 的公共信箱

可其他城邦并无血缘。比如 Web 服务器城 与 日志记录城，素不相识，却需通信。

小信来到市集，画下一道符文：

mkfifo /tmp/my_fifo

“这是 命名管道（FIFO），一个带名字的公共信箱。”

Web 服务器打开它写入：

int fd = open("/tmp/my_fifo", O_WRONLY);write(fd, "User login: alice", 17);

日志进程打开它读取：

int fd = open("/tmp/my_fifo", O_RDONLY);read(fd, buf, 100);

消息无需亲缘，只要知道“信箱地址”，即可通信。

“FIFO 是进程间的邮局，”小信说，“名字即契约。”

📬 第三章：消息队列 —— `msgget()` 的加密信筒

但公共信箱太混乱——谁都能读，顺序难控。

小信前往 内核邮局，申请一个 消息队列（Message Queue）：

key_t key = ftok("/tmp", 'A');int msqid = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT);// 发送消息struct msgbuf {long mtype;           // 消息类型char mtext[256];      // 消息内容} message;message.mtype = 1;strcpy(message.mtext, "Emergency: High CPU!");msgsnd(msqid, &message, sizeof(message.mtext), 0);// 接收消息（按类型）msgrcv(msqid, &message, 256, 1, 0);

消息队列像一个带分类的加密信筒：

每条消息有 类型（mtype）
可按类型接收，不按顺序
内核持久化，不怕进程崩溃

“这是带优先级的密信系统，”小信说，“军情可插队，日志可排队。”

🧠 第四章：共享内存 —— `shmget()` 的共感之桥

可有些任务需要极速——比如 视频渲染城 与 显示城，每秒百万像素。

“管道太慢，”小信皱眉，“我们需要 直接共享大脑。”

她启动 共享内存（Shared Memory）：

key_t key = ftok("/tmp", 'B');int shmid = shmget(key, 4096, 0666 | IPC_CREAT);// 映射到进程地址空间char* shm_ptr = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);// 现在，所有映射的进程都能直接读写同一块内存！strcpy(shm_ptr, "Rendering frame 123...");// 用完分离shmdt(shm_ptr);

一座无形之桥架起，两城共享同一片记忆。

“这是最快的 IPC，”小信说，“但必须配合互斥锁，否则会脑内冲突。”

📡 第五章：信号 —— `kill()` 的紧急警报

突然，攻击警报响起！僵尸进程大军来袭，系统负载飙升。

可主控进程正在休眠。

小信大喊：“启动 信号（Signal）！最轻量的中断机制！”

她向主控进程发送紧急信号：

kill(master_pid, SIGUSR1);  // 发送自定义信号

主控进程立刻从 pause() 或系统调用中醒来，执行信号处理函数：

void signal_handler(int sig) {printf("Alert! System under pressure!\n");// 启动防御机制}signal(SIGUSR1, signal_handler);

“信号是进程的神经突触，”小信说，“短促、紧急、不容忽视。”

🔄 第六章：信号量 —— `semget()` 的资源守卫

但共享内存引发新问题：多个进程同时写入，数据混乱。

小信召唤 信号量（Semaphore）——资源的守卫者：

key_t key = ftok("/tmp", 'C');int semid = semget(key, 1, 0666 | IPC_CREAT);// 初始化为 1（互斥锁）semctl(semid, 0, SETVAL, 1);// P 操作（等待）struct sembuf op = {0, -1, SEM_UNDO};semop(semid, &op, 1);// 写入共享内存// ...// V 操作（释放）op.sem_op = 1;semop(semid, &op, 1);

信号量像一盏红绿灯：

值 > 0：通行
值 = 0：等待
保证同一时间只有一个进程进入临界区

“它是共享资源的交通警察。”

🌟 终章：通信之网

小信站在内核之巅，俯瞰整个大陆：

管道：父子低语
FIFO：公共信箱
消息队列：分类密信
共享内存：共感之桥
信号：紧急警报
信号量：资源守卫

她轻声说：

“进程看似孤立，但通过 消息的密语，它们织成一张协同之网。这，就是操作系统的灵魂。”

内核之声响起：

“你已掌握 IPC 六大密语： 管道、FIFO、消息队列、共享内存、信号、信号量。你不是在连接进程，你是在唤醒系统的集体意识。”

📜 附：IPC 通信方式速查表

方式	适用场景	特点
匿名管道	亲缘进程，单向	简单，生命周期短
命名管道（FIFO）	任意进程，单向	有名字，持久化
消息队列	结构化消息，多类型	内核管理，可寻址
共享内存	高速数据交换	最快，需同步机制
信号	异步通知	轻量，紧急
信号量	同步与互斥	控制资源访问