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yo！这里是进程间通信

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2025-08-15 15:48:03

前言

进程间通信简介

目的

分类

匿名通道

介绍

举例（进程池）

命名管道

介绍

举例

共享内存

介绍

共享内存函数

1.shmget

2.shmat

3.shmdt

4.shmctl

举例

1.框架

2.通信逻辑

消息队列

信号量

同步与互斥

理解信号量

后记

前言

之前介绍到进程说过，进程具有独立性，也就是说两个进程之间没有相交的部分，没有共享的部分，那如何实现标题所说的通信呢？我们一定能先想到，一方将信息放到某个地方，然后另一方去拿，这不就实现了所谓的通信了，实际也是这样，进程间通信就是让两个或多个进程看到同一块资源（空间），对应的实现也是有很多种。其中，在本文我们详细介绍匿名管道、命名管道、共享内存，简单介绍消息队列、信号量，快往下看看吧！

进程间通信简介目的

进程间通信的目的，包括数据传输、共享资源、通知、进程控制。其中，

数据传输：一个进程需要发送给另一个进程一些数据；

共享资源：多个进程之间共享同一份资源；

通知：一个进程需要通知另一个或多个进程发生了某个事件（如进程终止时要通知父进程）；

进程控制：有些进程可以控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

分类

进程间通信的方法分类大致可以分为三类，包括管道、System V IPC(进程间通信InterProcess Communication)、POSIX IPC。

其中，

管道：

匿名管道

命名管道

System V IPC：

System V 消息队列

System V 共享内存

System V 信号量

POSIX IPC：

消息队列

共享内存

信号量

互斥量

条件变量

读写锁

对于System V IPC，侧重于本地通信，也就是一台机器上的多个进程进行通信；对于POSIX IPC，其将网络通信纳入到进程间通信，既能本地通信，又能远程通信。下面我们将详细介绍管道、System V 共享内存，简单介绍System V 消息队列、System V 信号量。

匿名通道介绍

首先，我们把一个进程连接到两一个进程的一个数据流叫做管道，匿名管道就是之前所用的【 | 】，比如将当前路径信息输入到draft.txt文件中，如下图：

但这是指令实现的管道，代码如何实现呢？如下：

其中，pipefd是一个文件描述符数组，里面可以放两个文件描述符，pipefd[0]表示读端，pipefd[1]表示写端；返回值：成功返回0，否则返回-1，且设置errno。

注意：

pipefd数组是一个输出型参数，我们传入一个空数组，函数内会将打开的读写fd对应放入数组内带出，函数外就可以通过pipefd[0]、pipefd[1]从写端向读端传输数据，如下图可方便理解：

举例（进程池）

进程池就是父进程fork出多个子进程，使用进程间通信的方法父进程向子进程发送任务，子进程完成任务返回给父进程。对于父进程fork出来的一个子进程，父进程使用管道文件与子进程进行通信的原理如下：

对于进程池中父进程通信多个子进程的原理亦是如此，看如下代码实现。

主函数框架：

进程池首先需要一个vector记录创建的所有子进程，父进程发送任务可随机选择子进程执行任务，接下来就是创建多个子进程和对应管道，将每个子进程的写端关闭，然后子进程就是等待父进程派发任务；对于父进程，在关闭读端之后，开始派发任务，依旧是面向用户的一个菜单，框架与以前写的游戏菜单一样，用户可以选择菜单上的选项进行操作，用户操作结束以后，紧接着关闭所有的fd以及父进程等待接收子进程，以免子进程成为僵尸进程。

代码：

#include <iostream> #include <vector> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <assert.h> #include "Task.hpp" #define PROCESS_NUM 5 int main() { vector<pair<pid_t, int>> process_vec; // 创建多个子进程 for (int i = 0; i < PROCESS_NUM; i++) { // 创建管道 //注意：管道创建要在循环里面 int pipefd[2] = {0}; int res = pipe(pipefd); assert(res == 0); pid_t id = fork(); if (id == 0) { // 子进程：读，关闭写 close(pipefd[1]); while (true) { //接收任务 } exit(1); } // 父进程：写，关闭读 close(pipefd[0]); process_vec.push_back(make_pair(id, pipefd[1])); //记录进程 } // 派发任务 int select; srand((unsigned int)time(nullptr)); do { usleep(100000); printf("**************************************************\n"); printf("*** 0.quit 1.show tasks 2.execute task ***\n"); printf("**************************************************\n"); printf("请输入：\n"); cin >> select; if (select == 0) { printf("退出成功\n"); } else if (select == 1) { //显示任务 } else if (select == 2) { //发送任务 } else { printf("输入有误\n"); } } while (select); //关闭所有fd //接受收进程 return 0; }

任务（Task.hpp）：

首先将所有任务实现在这个头文件中，这里仅有task0、1、2、3四个任务，创建一个vector存储这些任务，此外，再创建一个map存储这些任务的序号和对应介绍（这里只显示名称），以便于主函数菜单中的任务显示（ShowTask()函数），而TaskLoad()函数是在完成vector和map的填充。

代码：

#pragma once #include <iostream> #include <string> #include <vector> #include <unordered_map> #include <unistd.h> #include <functional> #include <map> using namespace std; typedef function<void()> task; //c++11中提出，作为函数指针的平替 vector<task> task_vec; map<int,string> task_info; void task0() { printf("进程[%d]正在执行任务0\n"); } void task1() { printf("进程[%d]正在执行任务1\n"); } void task2() { printf("进程[%d]正在执行任务2\n"); } void task3() { printf("进程[%d]正在执行任务3\n"); } void TaskLoad() { task_info.insert(make_pair(task_vec.size(),"task0")); task_vec.push_back(task0); task_info.insert(make_pair(task_vec.size(),"task1")); task_vec.push_back(task1); task_info.insert(make_pair(task_vec.size(),"task2")); task_vec.push_back(task2); task_info.insert(make_pair(task_vec.size(),"task3")); task_vec.push_back(task3); } void ShowTasks() { for(auto i:task_info) { cout<<i.first<<":"<<i.second<<endl; } }

主函数细节：

首先就是要主函数中上传任务（TaskLoad()）；对于父进程的执行任务模块，随机采用子进程将任务序号write到管道中，对于子进程的接收任务模块，则是封装了一个函数，以实现如果父进程不发送任务，就堵塞的情形，在函数中，子进程去read管道中的数据，接收任务序号，再调用对应任务即可；对于最后的收尾工作，包括关闭所有fd、接收子进程，很简单，如代码所示。

代码：

#include <iostream> #include <vector> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <assert.h> #include "Task.hpp" #define PROCESS_NUM 5 bool ReceiveTask(int fd,int& task_no) { ssize_t n=read(fd,&task_no,sizeof(task_no)); if(n!=sizeof(int)) //保证接收的数据是int大小的字节数 return false; return true; } int main() { vector<pair<pid_t, int>> process_vec; TaskLoad(); // 创建多个子进程 for (int i = 0; i < PROCESS_NUM; i++) { // 创建管道 //注意：管道创建要在循环里面 int pipefd[2] = {0}; int res = pipe(pipefd); assert(res == 0); pid_t id = fork(); if (id == 0) { // 子进程：读，关闭写 close(pipefd[1]); while (true) { //接收任务 int task_no=0; bool res=ReceiveTask(pipefd[0], task_no);//封装函数意义：如果父进程不发，就堵塞 if(!res) break; if(task_no<0||task_no>=task_vec.size()) printf("输入有误\n"); else task_vec[task_no](); } exit(1); } // 父进程：写，关闭读 close(pipefd[0]); process_vec.push_back(make_pair(id, pipefd[1])); } // 派发任务 int select; srand((unsigned int)time(nullptr)); do { usleep(100000); printf("**************************************************\n"); printf("*** 0.quit 1.show tasks 2.execute task ***\n"); printf("**************************************************\n"); printf("请输入：\n"); cin >> select; if (select == 0) { printf("退出成功\n"); } else if (select == 1) { ShowTasks(); } else if (select == 2) { int task_no; int i = rand() % task_vec.size(); printf("请输入："); cin >> task_no; write(process_vec[i].second, &task_no, sizeof(task_no)); } else { printf("输入有误\n"); } } while (select); //关闭所有fd for(auto i:process_vec) { close(i.second); } //接受收进程 for(auto i:process_vec) { int ret=waitpid(i.first,nullptr,0); } return 0; }

运行：

通过以上对匿名管道的理解，我们可以发现，管道是具有访问控制的，以下就是其读写规则，即

①当没有数据可以读时，即写的慢，读的快，read调用阻塞，即进程暂停执行，一直等到有数据来到为止；

②当管道满了时，即写的快，读的慢，write调用阻塞，直到有进程读走数据；

③如果所有管道写端对应的文件描述符被关闭，则read返回0，表示读到了管道文件末尾；

④如果所有管道读端对应的文件描述符被关闭，则write操作会产生信号SIGPIPE，进而可能导致write进程退出。

我们也可以总结出匿名管道的特点，如下：

① 只能用于具有共同祖先的进程（具有亲缘关系的进程）之间进行通信；通常，一个管道由一个进程创建，然后该进程调用fork，此后父子进程之间就可应用该管道；

②管道提供流式服务，这与协议有关，后面再说；

③一般而言，进程退出，管道释放，所以管道的生命周期随进程；

④一般而言，内核会对管道操作进行同步与互斥，即提供了访问控制；

⑤管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道。

命名管道介绍

对于匿名管道，很大的一个缺点就是只能在具有公共祖先（如父子进程）的进程间通信，若想要在不相关的进程间通信，下面要讲到的命名管道（FIFO文件）就是方法之一。命令行实现：mkfifo filename，举例如下图：

代码实现：

举例

对于服务端，首先是通过mkfifo函数创建命名管道（fifo文件），接着使用open系统调用打开此文件，下面就可以接收用户端的信息了，这里将接收信息封装成了一个函数getMessage()，而且创建了多个子进程来随机接收任务，最后就是收尾工作，包括父进程接收子进程的、关闭管道文件以及删除管道文件；对于getMessage函数，首先创建一个缓冲区存放用户端发送的信息，接着下面是个循环接收信息的过程，通过read系统调用将信息存放至缓冲区内，这里注意对read的返回值分情况讨论，当读到文件末尾时将不再继续读取，break退出。

代码（server）：

#include <iostream> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include <string.h> using namespace std; #define FIFONAME "mypipe" #define FIFOMODE 0666 void getMessage(int fd) { char buffer[1024]; while (true) { memset(buffer, '\0', sizeof(buffer)); ssize_t n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);//后续对n的分情况处理较为重要 if(n>0) { printf("client[%d]>%s\n", getpid(),buffer); } else if(n==0)//读到了文件结尾 { break; } else{ perror("read"); break; } } } int main() { // 创建命名管道 int res = mkfifo(FIFONAME, FIFOMODE); if (res < 0) { perror("mkfifo"); exit(1); } printf("创建管道文件成功\n"); // 打开管道文件 int fd = open(FIFONAME, O_RDONLY); if (fd < 0) { perror("open"); exit(2); } printf("打开管道文件成功\n"); // 正常操作（读） int process_nums=5; for(int i=0;i<process_nums;i++) { pid_t id=fork(); if(id==0) { getMessage(fd); exit(3); } } // 接收子进程 for(int i = 0; i < process_nums; i++) { waitpid(-1, nullptr, 0); } //关闭文件 close(fd); printf("关闭管道文件成功\n"); //删除管道文件 int ret=unlink(FIFONAME); assert(res!=-1); printf("删除管道文件成功\n"); return 0; }

在服务端创建了管道文件之后，用户端也通过系统调用open打开此文件，接下来循环去发送文件，使用系统调用write将信息写进管道文件中，最后收尾工作，将文件fd关闭。

代码（client）：

#include <iostream> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include <string.h> using namespace std; #define FIFONAME "mypipe" #define FIFOMODE 0666 int main() { // 打开通道文件 int fd = open(FIFONAME, O_WRONLY); assert(fd > 0); // 开始操作(写) string message; while (true) { cout << "请输入：\n"; cin >> message; write(fd, message.c_str(), strlen(message.c_str())); } //关闭文件 close(fd); return 0; }

运行：

以上就是管道的两种类型的全部介绍，我们可以来总结一下两者的区别：

①匿名管道由pipe函数创建并打开，命名管道由mkfifo函数创建，用系统接口open打开；

②匿名管道只能在具有公共祖先（如父子进程）的进程间使用，而命名管道可以在不相关的进程间使用，

除此之外，二者具有相同的功能。

共享内存介绍

共享内存可以说是最快的IPC（进程间通信）方式，因为其属于内存级的数据传输，且不需要过多的拷贝，当这块资源（内存）映射到涉及的两个进程的地址空间，那么数据传输不需要再输入输出内核空间（只在用户空间中），即不需要再使用read、write等系统调用接口传输数据，与此相对应的是pipe、fifo文件均是件，属于内核空间，需要用read、write等系统调用接口传输数据以致通信。示意图如下：

共享内存函数 1.shmget

功能：创建共享内存；

参数：

key是关键字，是对于os而言的共享内存标识符，这个值调用ftok函数（下面介绍）由os创建，两个进程创建共享内存时使用同一个key值即是共享了这一块内存；

size是共享内存的大小，建议设置成页大小（4096）的整数倍；

shmflg是权限标志，填IPC_CREAT，表示若底层已存在key标识的共享内存，则获取之并返回，若不存在则创建之并返回；填IPC_CREAT | IPC_EXCL，表示若底层不存在则创建并返回，若存在则出错返回，注意后面还可以再或上八进制权限表示法，设置共享内存的权限；

返回值：成功返回一个非负整数，称为shmid，是对于用户而言的共享内存标识符，失败返回-1。

功能：把一个已存在的路径名和一个整数标识符转换成key；

参数：pathname是路径名，由用户指定，此路径必须存在且可存取；proj_id也是由用户指定，该值必须是一个至少有8个比特位的非零值；

返回值：返回一个key值。

2.shmat

功能：将共享内存挂接（映射）到进程地址空间；

参数：

shmid就是shmget的返回值，是对于用户而言的共享内存标识符；

shmaddr是指定连接的地址，可设置为nullptr成为默认值；

shmflg可设置为0成为默认值；

返回值：成功返回一个指针指向共享内存的第一个字节，失败返回空，用法类似malloc。

3.shmdt

功能：将共享内存脱离当前进程；

参数：指向共享内存的指针shmaddr；

返回值：成功返回0，失败返回-1。

4.shmctl

功能：控制共享内存，常用于删除共享内存；

参数：

shmid是共享内存标识符；

cmd可填入IPC_RMID，表示删除共享内存；

buf可填nullptr表示设置默认值；

返回值：成功返回0，失败返回-1。

注意：system V IPC资源的生命周期随内核，即需要手动（指令）删除或者代码删除，逼向管道资源，生命周期随进程，进程结束资源也就被删除了。

举例 1.框架

1） mon.hpp

代码：

#pragma once #include <iostream> #include <cstdio> #include <sys/types.h> #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> #include <sys/wait.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <assert.h> #include <string.h> using namespace std; #define PATHNAME "/home/phan9" //具有访问权限 #define PROJ_ID 0x66 //自定 #define SHM_SIZE 4096 //共享内存的大小，最好是页(PAGE: 4096)的整数倍

2）.server.cpp

先通过ftok函数创建key值，再通过此key值使用shmget函数创建共享内存，client也是通过此方法创建（识别到）这同一块共享内存，紧接着，将此共享内存通过shmat函数挂接到当前进程上，之后就可以使用shmaddr指针使用此共享内存，这里可以将共享内存当作成一个shmaddr指向的大字符串，通信结束后，先是使用shmdt函数将此共享内存与此进程相脱离，再用shmctl函数删除此共享内存。

代码：

#include "common.hpp" int main() { int res; //与client通过ftok内部算法创建相同的key key_t key=ftok(PATHNAME,PROJ_ID); if(key==-1) { perror("ftok"); exit(1); } printf("server创建key成功,key:%d\n",key); //创建shm，服务器是通信的发起者---要创建一个全新的共享内存，所以要使用IPC_CREAT|IPC_EXCL int shmid=shmget(key,SHM_SIZE,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666); if(shmid==-1) { perror("shmget"); exit(2); } printf("server创建共享内存成功,shmid:%d\n",shmid); //关联共享内存，shmat用法与malloc一样 char* shmaddr=(char*)shmat(shmid,nullptr,0); //最后一个参数设为0，是默认只读的形式关联 if(shmaddr==nullptr) { perror("shmat"); exit(3); } printf("server关联共享内存成功,shmid:%d\n",shmid); sleep(5); //通信 //***************************************************** //... //***************************************************** //共享内存去关联 res=shmdt(shmaddr); if(res==-1) { perror("shmdt"); exit(4); } printf("server共享内存去关联成功,shmid:%d\n",shmid); sleep(5); //删除共享内存 res=shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr); if(res==-1) { perror("shmctl"); exit(5); } printf("server删除共享内存成功,shmid:%d\n",shmid); return 0; }

3）.client.cpp

框架部分，client大部分代码是与server一样的，唯一不同的就是client不需要删除共享内存，因为client不是该共享内存的发起者，应当是server来删除。

代码：

#include "common.hpp" int main() { int res; //创建key key_t key=ftok(PATHNAME,PROJ_ID); if(key==-1) { perror("ftok"); exit(1); } printf("client创建key成功,key:%d\n",key); //创建共享内存 int shmid=shmget(key,SHM_SIZE,IPC_CREAT); if(shmid==-1) { perror("shmget"); exit(2); } printf("client创建共享内存成功,shmid:%d\n",shmid); //关联共享内存，shmat用法与malloc一样 char* shmaddr=(char*)shmat(shmid,nullptr,0); if(shmaddr==nullptr) { perror("shmat"); exit(3); } printf("client关联共享内存成功,shmid:%d\n",shmid); sleep(5); //通信 //***************************************************** //... //***************************************************** //共享内存去关联 res=shmdt(shmaddr); if(res==-1) { perror("shmdt"); exit(3); } printf("client共享内存去关联成功,shmid:%d\n",shmid); sleep(5); //client不需要删除shm return 0; }

4）.运行

ipcs -m：查看共享内存

while :; do ipcs -m; sleep 1; done：一秒显示一次共享内存

代码中会用sleep函数模拟通信逻辑部分，先运行server，再运行client可看到如下图情况，运行server，nattach变成1，三秒之后，运行client，nattach变成了2，紧接着server中对共享内存去关联，随即nattach变成了1，在client也去关联之后，nattach变成了0，可见，框架的运行逻辑是没错的，下面看一下通信逻辑的实现。

运行：

2.通信逻辑

1）.server.cpp

server将共享内存当成一个字符串，即将shmaddr当成字符串的首地址，举例让server反复去检查共享内存有无信息可以读取，有的话立马读出来，当遇到quit字符串时就退出读取。

代码：

//通信(读) //server将共享内存当成一个字符串，即将shmaddr当成字符串的首地址 while(true) { printf("%s\n",shmaddr); if(strcmp(shmaddr,"quit")==0) break; sleep(1); }

2）.client.cpp

client将共享内存当成一个char类型的缓存区，这里我们举例让client反复去写信息，当写到quit字符串时就停止写入。

代码：

//通信(写) //client将共享内存当成一个char类型的缓存区 while(true) { cin>>shmaddr; if(strcmp(shmaddr,"quit")==0) break; }

运行：

上图中可见，无论client运不运行，server都在一直从共享内存读消息，当client写进消息时，server能立马读出来，要知道共享内存是内存级的读写，是IPC中最快的，因为不需要过多的拷贝工作，但是共享内存缺乏访问控制，这样会带来并发问题，即client还没将信息写完整，server就已经读到了，这会产生不可控的影响。

那如何做到一定的访问控制呢？

我们知道，管道文件是自带访问控制的，那我们不妨借助管道文件来实现共享内存的访问控制，如下common.hpp代码中，我们首先实现了一个类，来创建和删除管道文件，只要在server中我们定义一个全局变量的该类的对象，那么在运行server时都会自动创建管道文件，运行结束就会自动删除管道文件，紧接着就是为打开和删除管道文件封装的函数，而Wait函数就是实现server读取共享内存中的信息前进行等待的功能，Wake函数就是实现client将消息输入到共享内存后提醒server可以读取消息的功能，其中tmp是通过管道的临时信息，具体使用如代码2、3。

1） mon.hpp

#define FIFONAME "./myfifo" class Init { public: Init() { umask(0); int ret=mkfifo(FIFONAME,0666); assert(ret==0); } ~Init() { unlink(FIFONAME); } }; int OpenFifo(const char* FifoName,int flags) { int fd=open(FIFONAME,flags); assert(fd>=0); return fd; } void CloseFifo(int fd) { close(fd); } void Wait(int fd) { printf("等待中\n"); int tmp=0; read(fd,&tmp,sizeof(int)); } void Wake(int fd) { int tmp=1; write(fd,&tmp,sizeof(tmp)); }

2）.server.cpp

在server读取共享内存的消息之前，先进行等待，当client向共享内存输入了信息（即将tmp输入到管道后），就算是等待到了信息，随后即可读取共享内存的信息，值得注意的是，在读取前后，要打开和关闭管道文件。

代码：

//通信(读) //server将共享内存当成一个字符串，即将shmaddr当成字符串的首地址 int fd=OpenFifo(FIFONAME,O_RDONLY); while(true) { Wait(fd); printf("%s\n",shmaddr); if(strcmp(shmaddr,"quit")==0) break; } CloseFifo(fd);

3）.client.cpp

在client向共享内存写入了信息之后，提醒server可以读取了（即将管道的内容读到了tmp中），也要注意，写入信息前后别忘了打开和关闭管道文件。

代码：

//通信(写) //client将共享内存当成一个char类型的缓存区 int fd=OpenFifo(FIFONAME,O_WRONLY); while(true) { cin>>shmaddr; if(strcmp(shmaddr,"quit")==0) break; Wake(fd); } CloseFifo(fd);

运行：

消息队列

消息队列是一个可以存储消息的缓冲区，它有一个唯一的标识符来区分不同的消息队列。进程可以通过调用消息队列相关的API来创建、发送、接收和删除消息队列。

System V消息队列提供了一些优点，如异步通信、灵活的消息长度、高效的消息传递和顺序保证，使得它成为一种常见的IPC机制。但是，它也存在一些缺点，如消息队列的大小受限于系统内存、没有提供消息确认机制和没有提供消息过期机制。

在Linux系统中，类似共享内存一样，消息队列也可以使用类似函数，比如msgget()、msgsnd()、msgrcv()和msgctl()等函数来操作System V消息队列。

查看消息队列：ipcs -q

删除消息队列：ipcrm -q msqid

信号量

system V信号量是一种用于进程间同步和通信的机制。它是UNIX系统中用于进程间同步和互斥的一种机制，常被用于进程间共享资源的同步和互斥（下面介绍）。

system V信号量由3部分组成：一个计数器，一个等待队列和一些函数。计数器用于记录可用资源数量，等待队列用于保存等待该资源的进程列表，函数用于对信号量进行操作，例如增加、减少、初始化等操作。

当一个进程需要访问共享资源时，它必须先申请信号量。如果信号量的计数器值大于0，那么进程可以使用该资源，并将信号量计数器减1。如果计数器值为0，则表明该资源已经被占用，申请进程将被阻塞，直到该资源被释放。释放资源的进程将会增加信号量计数器的值，同时唤醒等待队列中的一个或多个进程来获取资源。

system V信号量提供了一种可靠的机制来防止多个进程同时访问共享资源。它是一种重要的进程间通信和同步机制，在多进程编程中应用广泛。