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Linux-----进程间通信

news 来源：原创 2025/6/9 11:01:25

一、按通信范围分类

同一主机进程通信
- 传统IPC方式：
  - 管道（无名管道、有名管道）
  - 信号（Signal）
- System V IPC：
  - 共享内存（效率最高）
  - 消息队列
  - 信号量
- POSIX IPC（较新标准）：
  - POSIX消息队列
  - POSIX信号量
  - POSIX共享内存
跨主机进程通信
- Socket网络通信

二、通信原理

进程空间独立，必须通过内核中转
内核在内核空间建立通信机制，用户空间通过系统调用访问

三、管道通信

1. 无名管道(Pipe)

特性：

半双工通信（数据单向流动）
仅用于亲缘关系进程（父子/兄弟进程）
数据遵循FIFO原则
最大容量64KB（可通过fcntl(fd, F_GETPIPE_SZ)查询）

解释：

    双工 ---发送和接收可以同时进行 --手机，电话
   半双工 ---发送端和接收端同一个时刻之后有一个起效 ---对讲机
   单工 ---发送端接收端固定 --- 广播

一、函数原型

#include <unistd.h>
int pipe(int pipefd[2]);

二、参数说明

pipefd[2]：输出参数，用于接收两个文件描述符的数组
- pipefd[0]：管道的读端（从该描述符读取数据）
- pipefd[1]：管道的写端（向该描述符写入数据）

三、返回值

成功返回 0
失败返回 -1，并设置 errno：
- EMFILE：进程打开的文件描述符过多
- ENFILE：系统文件表已满
- EFAULT：非法地址空间

四、基础用法示例

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include<string.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
	int fd[2];
	int fd1[2];
	int ret = pipe(fd);
	ret = pipe(fd1);

	char buf[20] = {0};
	char buf1[1024] = {0};
	
	if(ret < 0)
	{
		perror("pipe fail");
		return -1;
	}

	pid_t pid = fork();

	if(pid < 0)
	{
		perror("fork fail");
		return -1;
	}
	
	if(pid > 0)
	{
		close(fd[0]);
		close(fd1[1]);
		while(1)
		{
			printf("f> ");
			fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
			write(fd[1],buf,strlen(buf)+1);//加１是要保证输入的是字符串
			if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
			{
				wait(NULL);
				exit(EXIT_SUCCESS);
			}
			read(fd1[0],buf1,sizeof(buf));
			printf("buf1 = %s\n",buf1);
		}
	}else if(pid == 0)
	{
		close(fd[1]);
		close(fd1[0]);
		while(1)
		{
			read(fd[0],buf,sizeof(buf));
			if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
			{
				printf("child exit....\n");
				exit(EXIT_SUCCESS);
			}
			printf("buf = %s\n",buf);
			sprintf(buf1,"child %s",buf);
			write(fd1[1],buf1,strlen(buf1)+1);
		}
	}



	return 0;
}

五、关键特性说明

1. 数据流向

单向流动：数据从写端（pipefd[1]）流向读端（pipefd[0]）
半双工：同一时刻只能有一个方向的数据流

2. 原子性保证

当写入数据量 ≤ PIPE_BUF（POSIX 要求 ≥ 512字节）时，保证写入操作的原子性

可通过命令查看具体值：

cat /proc/sys/fs/pipe-max-size  # 最大容量（默认 1MB）
ulimit -a                       # 查看 PIPE_BUF 值（通常 4096）

3. 阻塞行为

场景	读端行为	写端行为
管道空 & 写端开放	阻塞等待数据	-
管道满 & 读端开放	-	阻塞直到有空间
所有读端关闭	-	触发 SIGPIPE 信号（默认终止进程）
所有写端关闭	read 返回 0（EOF）	-

四、mkfifo

一、函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode);

二、参数说明

pathname：管道文件的路径（建议使用绝对路径）
mode：文件权限（实际权限受 umask 影响，建议搭配 umask(0) 使用）

三、返回值

成功返回 0
失败返回 -1，并设置 errno：
- EEXIST：文件已存在
- ENOENT：路径不存在
- EACCES：权限不足
- ENOSPC：磁盘空间不足

四、基础用法示例

写入端代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>
//./a.out fifo_A2B fifo_B2A
int main(int argc, const char *argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		printf("Usage: %s <fifo_A2B> <fifo_B2A>\n",argv[0]);
		return -1;
	}

	if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
	{
		perror("mkfifo fail");
		return -1;
	}
	if(mkfifo(argv[2],0666) < 0 && errno != EEXIST)
	{
		perror("mkfifo fail");
		return -1;
	}

	int fd1 = open(argv[1],O_WRONLY);
	int fd2 = open(argv[2],O_RDONLY);

	if (fd1 < 0 || fd2 < 0)
	{
		perror("open fail");
		return -1;
	}

	pid_t pid = fork();

	if (pid < 0)
	{
		perror("fork fail");
		return -1;
	}
	char buf[1024];
	if (pid > 0)
	{
		close(fd2);
		while (1)
		{
			printf("> ");
			fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
			buf[strlen(buf)-1] = '\0';
			write(fd1,buf,strlen(buf)+1);
			
			if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)
			{
				wait(NULL);
				printf("father exit......\n");
				exit(0);
			}
		}
	}else if (pid == 0)
	{
		close(fd1);
		while (1)
		{
			printf("c> ");
			read(fd2,buf,sizeof(buf));
			printf("%s \n",buf);
			if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)
			{
				printf("child exit......\n");
				exit(0);
			}
		}

	}

	return 0;
}

读取端代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>

//./a.out fifo_A2B fifo_B2A
int main(int argc, const char *argv[])
{
	if (argc != 3)
	{
		printf("Usage: %s <fifo_A2B> <fifo_B2A>\n",argv[0]);
		return -1;
	}

	if(mkfifo(argv[1],0666) < 0 && errno != EEXIST)
	{
		perror("mkfifo fail");
		return -1;
	}
	if(mkfifo(argv[2],0666) < 0 && errno != EEXIST)
	{
		perror("mkfifo fail");
		return -1;
	}

	int fd1 = open(argv[1],O_RDONLY);
	int fd2 = open(argv[2],O_WRONLY);

	if (fd1 < 0 || fd2 < 0)
	{
		perror("open fail");
		return -1;
	}

	pid_t pid = fork();

	if (pid < 0)
	{
		perror("fork fail");
		return -1;
	}
	char buf[1024];
	if (pid > 0)
	{
		close(fd1);
		while (1)
		{
			printf("> ");
			fgets(buf,sizeof(buf),stdin);
			buf[strlen(buf)-1] = '\0';
			write(fd2,buf,strlen(buf)+1);
			if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)
			{
				wait(NULL);
				printf("father exit......\n");
				exit(0);
			}
		}
	}else if (pid == 0)
	{
		close(fd2);
		while (1)
		{
			printf("c> ");
			read(fd1,buf,sizeof(buf));
			printf("%s \n",buf);
			if (strncmp(buf,"quit",4) == 0)
			{
				printf("child exit......\n");
				exit(0);
			}
		}

	}

	return 0;
}

一、打开模式与阻塞关系表

打开方式	读端行为	写端行为	是否推荐使用
`O_RDONLY`	阻塞直到有写端打开	-	✅ 推荐
`O_WRONLY`	-	阻塞直到有读端打开	✅ 推荐
`O_RDWR`	立即返回（破坏FIFO语义）	立即返回（破坏FIFO语义）	❌ 禁止使用
`O_RDONLY	O_NONBLOCK`	立即返回（无数据返回0，需检查errno）	-
`O_WRONLY	O_NONBLOCK`	-	立即返回（无读端时返回ENXIO错误）

五、卸载管道unlink

一、函数原型

#include <unistd.h>
int unlink(const char *pathname);  // 正确拼写为 pathname

二、功能说明

核心作用：
- 删除文件系统中的一个目录项
- 当文件引用计数归零时释放磁盘空间
对FIFO的特殊行为：
- 立即删除文件系统入口（文件不再可见）
- 已打开的管道描述符仍可继续使用
- 实际文件资源在所有进程关闭描述符后释放

三、参数说明

参数	说明
pathname	要删除的有名管道完整路径
	示例："/tmp/my_fifo"

四、返回值

返回值	说明
0	删除成功
-1	删除失败，可通过 errno 获取错误原因

五、错误处理

errno 值	触发场景	处理方法
EACCES	权限不足（文件/目录不可写）	检查文件权限或使用 sudo
ENOENT	文件不存在	先检查文件是否存在
EISDIR	路径是目录	改用 rmdir 删除目录
EBUSY	文件正在被使用（某些系统）	关闭所有进程的文件描述符

六、使用示例

1. 基础用法

const char *fifo_path = "/tmp/my_fifo";

// 创建并删除管道
if (mkfifo(fifo_path, 0666) == -1) {
    perror("mkfifo error");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 使用管道...

// 删除管道文件
if (unlink(fifo_path) == -1) {
    perror("unlink error");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

2. 安全删除模式

#include <stdlib.h>
#include <signal.h>

// 注册退出清理函数
void cleanup() {
    if (unlink("/tmp/my_fifo") == -1 && errno != ENOENT) {
        perror("cleanup error");
    }
}

int main() {
    atexit(cleanup);  // 正常退出时调用
    signal(SIGTERM, cleanup);  // 捕获终止信号
    signal(SIGINT, cleanup);   // 捕获Ctrl+C
    
    // ...其他代码...
}

七、重要注意事项

延迟释放机制：

int fd = open("/tmp/fifo", O_RDONLY);
unlink("/tmp/fifo");  // 立即删除文件系统入口
read(fd, buf, size);  // 仍然可以正常读取数据
close(fd);            // 此时真正释放资源

多进程场景：
- 建议由最后退出的进程执行删除
- 可使用文件锁协调删除操作：
```
flock(fd, LOCK_EX);
unlink(path);
flock(fd, LOCK_UN);
```

临时文件最佳实践：

// 创建临时管道（自动删除）
char tmp_path[] = "/tmp/fifo_XXXXXX";
mktemp(tmp_path);         // 生成唯一名称
mkfifo(tmp_path, 0600);  // 严格权限
unlink(tmp_path);         // 立即标记删除

八、与 remove() 的区别

特性	unlink()	remove()
标准来源	POSIX 系统调用	C标准库函数
目录处理	不能删除目录	可删除空目录
封装实现	原始系统调用	内部调用 unlink/rmdir
错误返回	通过 errno 获取	通过返回值判断
推荐场景	删除文件/FIFO	跨平台文件删除

九、开发建议

在程序启动时清理旧管道：

if (access(fifo_path, F_OK) == 0) {
    unlink(fifo_path);
}

使用绝对路径避免歧义：

// 错误示例
unlink("my_fifo");  // 可能误删其他目录文件
 
// 正确示例
unlink("/var/run/myapp_fifo");

监控文件状态：

struct stat st;
if (stat(fifo_path, &st) == 0) {
    if (S_ISFIFO(st.st_mode)) {
        // 确认是管道文件再删除
        unlink(fifo_path);
    }
}

📌 关键点：unlink 只是删除文件链接，实际资源释放需要等待所有引用关闭。对于管道文件的清理，建议结合引用计数和进程生命周期管理来实现安全删除。

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一、按通信范围分类

二、通信原理

三、管道通信

1. 无名管道(Pipe)

一、函数原型

二、参数说明

三、返回值

四、基础用法示例

五、关键特性说明

1. 数据流向

2. 原子性保证

3. 阻塞行为

四、mkfifo

一、函数原型

二、参数说明

三、返回值

四、基础用法示例

写入端代码

读取端代码

一、打开模式与阻塞关系表

五、卸载管道unlink

一、函数原型

二、功能说明

三、参数说明

四、返回值

五、错误处理

六、使用示例

1. 基础用法

2. 安全删除模式

七、重要注意事项

八、与 remove() 的区别

九、开发建议

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