《深入理解Linux内核》 第十九章：深入理解 Linux 进程通信机制（Process Communication）

关键词：IPC、信号、管道、FIFO、消息队列、信号量、共享内存、套接字、内核对象、同步机制

---

一、进程通信概述

1.1 为什么需要进程通信

在 Linux 系统中，进程是资源隔离的基本单位，彼此间通常无法直接访问彼此的地址空间。因此需要一套机制，使得多个进程之间可以：

• 交换数据；
• 同步行为；
• 发送通知；
• 共享资源。

这些功能由 Linux IPC（Inter-Process Communication）子系统实现。

1.2 IPC 分类

类型	描述
信号	最基本的异步通知机制
管道/FIFO	字节流通信机制，面向数据流
消息队列	面向结构化消息，先进先出
信号量	同步与互斥，典型用于资源控制
共享内存	多进程映射同一段内存，效率最高
套接字	网络与本地通信统一抽象，支持多协议

---

二、信号（Signal）

2.1 概述

信号是进程间最早被引入的通信机制，本质上是一个异步事件通知。

示例信号	描述
SIGINT	中断（Ctrl+C）
SIGTERM	终止进程请求
SIGKILL	无条件终止进程（不可捕获）
SIGCHLD	子进程结束通知父进程

2.2 信号相关系统调用

• kill(pid, sig)：向指定进程或进程组发送信号；
• signal(sig, handler)：设置信号处理函数；
• sigaction()：更强大的信号控制；
• sigprocmask()：阻塞/允许某些信号；
• sigqueue()：带参数的信号发送。

2.3 内核实现

• 每个进程结构 task_struct 中包含 sigpending 和 signal 字段；
• 信号通过 do_signal() 派发；
• 某些信号是不可忽略/不可屏蔽的（如 SIGKILL）；
• Linux 通过实时信号（SIGRTMIN ~ SIGRTMAX）支持有序队列与附加参数。

---

三、管道与 FIFO

3.1 管道（pipe）

管道是最基本的 IPC 数据流机制，数据在两个进程间以 FIFO 形式流动。

int pipe(int pipefd[2]); // pipefd[0]=read, pipefd[1]=write

特点：

• 半双工（单向通信）；
• 父子进程间常见用途；
• 基于内核中的 pipe_inode_info 结构实现；
• 使用缓冲区环形队列实现数据传输。

3.2 命名管道（FIFO）

可跨进程、不限于亲缘关系：

mkfifo /tmp/myfifo

特点：

• 是一种特殊文件；
• 可在 shell 中使用 < /tmp/myfifo、> /tmp/myfifo。

3.3 内核实现

• 管道是内核中一种特殊的字符设备；
• 每个 pipe 被表示为一个 inode；
• 内核用 struct pipe_inode_info 管理缓冲区、读写端等。

---

四、消息队列（Message Queues）

4.1 概述

消息队列允许进程以“消息”为单位进行通信，每条消息是结构化数据（类型 + 数据内容）。

int msgget(key_t key, int msgflg);
int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg);
ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg);

4.2 内核数据结构

struct msg_queue {struct list_head q_messages;...
};

• 所有消息链入 q_messages；
• 支持按类型匹配接收；
• 消息大小有限制（msgmax）。

4.3 特点

• 支持异步发送、同步接收；
• 按优先级接收；
• 属于 System V IPC 之一；
• 支持权限与 quota 控制。

---

五、信号量（Semaphores）

5.1 概述

信号量提供一种同步机制，用于控制多个进程对共享资源的访问，支持阻塞和非阻塞操作。

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

• 每个信号量集合由 semid 索引；
• semop() 支持加锁/解锁操作（P/V操作）；
• 使用计数表示资源状态。

5.2 内核结构

struct sem_array {struct sem *sem_base;...
};

• Linux 信号量集支持原子操作；
• 支持 undo 机制，在进程终止时自动释放资源；
• 属于 System V IPC 范畴，现代内核中逐渐被 futex 和 pthread 替代。

---

六、共享内存（Shared Memory）

6.1 概述

多个进程将一段物理内存映射到各自虚拟地址空间，实现高效通信。

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
int shmdt(const void *shmaddr);

特点：

• 速度最快的 IPC；
• 通常配合信号量/互斥锁使用；
• 属于 System V IPC；

6.2 内核实现

• 使用 shmid_kernel 描述共享段；
• 实质上是内核为各进程映射同一段物理页；
• 页表项被多个进程共享；
• 写时复制（COW）策略在此无效。

---

七、套接字通信（Socket）

7.1 套接字种类

类型	描述
UNIX 域套接字	仅限本机通信，文件系统路径寻址
INET 套接字	网络通信，使用 IP 与端口
STREAM	面向连接，类似 TCP
DGRAM	无连接，类似 UDP

7.2 创建通信过程

int socket(int domain, int type, int protocol);
int bind(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
int connect(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

• socket 通信是最通用的进程通信方式；
• 在内核中通过 sock 结构表示；
• 数据缓冲使用 sk_buff 结构管理。

---

八、Linux IPC 统一接口

Linux 提供 /proc/sysvipc/ 系统接口与 ipcs 工具来统一查看 IPC 对象：

ipcs -m   # 共享内存
ipcs -q   # 消息队列
ipcs -s   # 信号量

可以使用 ipcrm 删除对象。

---

九、IPC 命名空间与隔离（Namespace）

9.1 IPC Namespace

每个 IPC 对象（shm、sem、msg）都可以在命名空间中隔离，容器技术（如 Docker）广泛使用。

• 创建 IPC namespace：unshare --ipc
• 每个命名空间有独立的 IPC 资源空间；
• 安全、稳定、互不干扰。

---

十、内核源码参考路径

文件路径	作用描述
kernel/signal.c	信号实现与分发
ipc/msg.c	消息队列实现
ipc/sem.c	信号量实现
ipc/shm.c	共享内存实现
fs/pipe.c	管道与 FIFO 实现
net/unix/af_unix.c	UNIX 域 socket 实现
include/linux/ipc_namespace.h	IPC 命名空间
include/linux/shm.h	共享内存头文件

---

十一、小结

• Linux 提供多种 IPC 机制，各有优缺点与适用场景；
• 信号适合简单事件通知；
• 管道与 FIFO 适合流式数据传输；
• 消息队列支持结构化数据传递；
• 信号量用于同步资源控制；
• 共享内存效率最高，但需额外同步手段；
• 套接字最通用，跨主机通信也适用；
• IPC 命名空间提升系统隔离性与安全性。