《深入理解Linux內核》 第十九章：深入理解 Linux 進程通信機制（Process Communication）

關鍵詞：IPC、信號、管道、FIFO、消息隊列、信號量、共享內存、套接字、內核對象、同步機制

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一、進程通信概述

1.1 為什么需要進程通信

在 Linux 系統中，進程是資源隔離的基本單位，彼此間通常無法直接訪問彼此的地址空間。因此需要一套機制，使得多個進程之間可以：

• 交換數據；
• 同步行為；
• 發送通知；
• 共享資源。

這些功能由 Linux IPC（Inter-Process Communication）子系統實現。

1.2 IPC 分類

類型	描述
信號	最基本的異步通知機制
管道/FIFO	字節流通信機制，面向數據流
消息隊列	面向結構化消息，先進先出
信號量	同步與互斥，典型用于資源控制
共享內存	多進程映射同一段內存，效率最高
套接字	網絡與本地通信統一抽象，支持多協議

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二、信號（Signal）

2.1 概述

信號是進程間最早被引入的通信機制，本質上是一個異步事件通知。

示例信號	描述
SIGINT	中斷（Ctrl+C）
SIGTERM	終止進程請求
SIGKILL	無條件終止進程（不可捕獲）
SIGCHLD	子進程結束通知父進程

2.2 信號相關系統調用

• kill(pid, sig)：向指定進程或進程組發送信號；
• signal(sig, handler)：設置信號處理函數；
• sigaction()：更強大的信號控制；
• sigprocmask()：阻塞/允許某些信號；
• sigqueue()：帶參數的信號發送。

2.3 內核實現

• 每個進程結構 task_struct 中包含 sigpending 和 signal 字段；
• 信號通過 do_signal() 派發；
• 某些信號是不可忽略/不可屏蔽的（如 SIGKILL）；
• Linux 通過實時信號（SIGRTMIN ~ SIGRTMAX）支持有序隊列與附加參數。

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三、管道與 FIFO

3.1 管道（pipe）

管道是最基本的 IPC 數據流機制，數據在兩個進程間以 FIFO 形式流動。

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

特點：

• 半雙工（單向通信）；
• 父子進程間常見用途；
• 基于內核中的 pipe_inode_info 結構實現；
• 使用緩沖區環形隊列實現數據傳輸。

3.2 命名管道（FIFO）

可跨進程、不限于親緣關系：

mkfifo /tmp/myfifo

特點：

• 是一種特殊文件；
• 可在 shell 中使用 < /tmp/myfifo、> /tmp/myfifo。

3.3 內核實現

• 管道是內核中一種特殊的字符設備；
• 每個 pipe 被表示為一個 inode；
• 內核用 struct pipe_inode_info 管理緩沖區、讀寫端等。

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四、消息隊列（Message Queues）

4.1 概述

消息隊列允許進程以“消息”為單位進行通信，每條消息是結構化數據（類型 + 數據內容）。

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 內核數據結構

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

• 所有消息鏈入 q_messages；
• 支持按類型匹配接收；
• 消息大小有限制（msgmax）。

4.3 特點

• 支持異步發送、同步接收；
• 按優先級接收；
• 屬于 System V IPC 之一；
• 支持權限與 quota 控制。

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五、信號量（Semaphores）

5.1 概述

信號量提供一種同步機制，用于控制多個進程對共享資源的訪問，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);

• 每個信號量集合由 semid 索引；
• semop() 支持加鎖/解鎖操作（P/V操作）；
• 使用計數表示資源狀態。

5.2 內核結構

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

• Linux 信號量集支持原子操作；
• 支持 undo 機制，在進程終止時自動釋放資源；
• 屬于 System V IPC 范疇，現代內核中逐漸被 futex 和 pthread 替代。

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六、共享內存（Shared Memory）

6.1 概述

多個進程將一段物理內存映射到各自虛擬地址空間，實現高效通信。

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

特點：

• 速度最快的 IPC；
• 通常配合信號量/互斥鎖使用；
• 屬于 System V IPC；

6.2 內核實現

• 使用 shmid_kernel 描述共享段；
• 實質上是內核為各進程映射同一段物理頁；
• 頁表項被多個進程共享；
• 寫時復制（COW）策略在此無效。

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七、套接字通信（Socket）

7.1 套接字種類

類型	描述
UNIX 域套接字	僅限本機通信，文件系統路徑尋址
INET 套接字	網絡通信，使用 IP 與端口
STREAM	面向連接，類似 TCP
DGRAM	無連接，類似 UDP

7.2 創建通信過程

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 通信是最通用的進程通信方式；
• 在內核中通過 sock 結構表示；
• 數據緩沖使用 sk_buff 結構管理。

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八、Linux IPC 統一接口

Linux 提供 /proc/sysvipc/ 系統接口與 ipcs 工具來統一查看 IPC 對象：

ipcs -m   # 共享內存
ipcs -q   # 消息隊列
ipcs -s   # 信號量

可以使用 ipcrm 刪除對象。

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九、IPC 命名空間與隔離（Namespace）

9.1 IPC Namespace

每個 IPC 對象（shm、sem、msg）都可以在命名空間中隔離，容器技術（如 Docker）廣泛使用。

• 創建 IPC namespace：unshare --ipc
• 每個命名空間有獨立的 IPC 資源空間；
• 安全、穩定、互不干擾。

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十、內核源碼參考路徑

文件路徑	作用描述
kernel/signal.c	信號實現與分發
ipc/msg.c	消息隊列實現
ipc/sem.c	信號量實現
ipc/shm.c	共享內存實現
fs/pipe.c	管道與 FIFO 實現
net/unix/af_unix.c	UNIX 域 socket 實現
include/linux/ipc_namespace.h	IPC 命名空間
include/linux/shm.h	共享內存頭文件

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十一、小結

• Linux 提供多種 IPC 機制，各有優缺點與適用場景；
• 信號適合簡單事件通知；
• 管道與 FIFO 適合流式數據傳輸；
• 消息隊列支持結構化數據傳遞；
• 信號量用于同步資源控制；
• 共享內存效率最高，但需額外同步手段；
• 套接字最通用，跨主機通信也適用；
• IPC 命名空間提升系統隔離性與安全性。