【Note】《深入理解Linux内核》 第十九章：深入理解 Linux 进程通信机制
《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。