进程间通信方式：信号灯、共享内存及消息队列介绍

封面图 • 2025-10-23 • Linux

进程间通信（Inter-Process Communication, IPC）是操作系统中不同进程之间交换数据和信息的机制。常见的IPC方式包括**信号灯（Semaphore）**、**共享内存（Shared Memory）** 和 **消息队列（Message Queue）**，它们各有特点和适用场景。

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## 一、信号灯（Semaphore）

### 1. 定义：
信号灯是一种用于**同步和互斥**的机制，用来控制多个进程对共享资源的访问，防止竞态条件（Race Condition）。

### 2. 类型：
- **二进制信号灯（Binary Semaphore）**：类似锁，只能取0或1。
- **计数信号灯（Counting Semaphore）**：允许一定数量的并发访问。

### 3. 常见操作：
- `sem_wait()` / `P` 操作：尝试获取信号灯，若不可用则阻塞。
- `sem_post()` / `V` 操作：释放信号灯。

### 4. 特点：
- 用于**同步和互斥**。
- 不直接传递数据，只用于控制访问。
- 通常与共享内存配合使用。

### 5. 应用场景：
- 多线程/多进程中的资源互斥访问（如打印机、文件等）。
- 实现生产者-消费者问题。

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## 二、共享内存（Shared Memory）

### 1. 定义：
共享内存是**多个进程共享同一块物理内存区域**，可以实现快速的数据交换。

### 2. 特点：
- **速度快**：不需要数据拷贝，直接读写内存。
- **需要同步机制**：如信号灯，防止多个进程同时写入导致数据不一致。

### 3. 使用步骤：
1. 创建或获取共享内存段（`shmget`）。
2. 将共享内存附加到进程地址空间（`shmat`）。
3. 使用完毕后分离（`shmdt`）并可删除（`shmctl`）。

### 4. 优点：
- 高效，适合大量数据传输。
- 简单易用。

### 5. 缺点：
- 必须配合同步机制（如信号灯）使用。
- 数据一致性难以保证。

### 6. 应用场景：
- 多进程之间的高速数据共享（如图形渲染、实时数据处理）。

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## 三、消息队列（Message Queue）

### 1. 定义：
消息队列是一种**异步通信机制**，进程可以通过发送和接收消息进行通信。

### 2. 特点：
- 消息按顺序传递，支持优先级。
- 消息在队列中持久化，即使接收进程未运行也能保存。
- 通常由操作系统内核维护。

### 3. 常见操作：
- `msgsnd()`：发送消息。
- `msgrcv()`：接收消息。

### 4. 优点：
- 支持异步通信。
- 可以跨进程甚至跨机器（如POSIX消息队列）。
- 消息具有类型和优先级。

### 5. 缺点：
- 相比共享内存速度较慢。
- 消息大小有限制。

### 6. 应用场景：
- 分布式系统中的进程通信。
- 异步任务调度（如任务队列）。

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## 四、对比总结

| 通信方式     | 是否共享内存 | 是否高效 | 同步机制 | 适用场景                     |
|--------------|----------------|----------|------------|------------------------------|
| 信号灯       | 否             | 高       | 是         | 同步/互斥                    |
| 共享内存     | 是             | 极高     | 需要       | 大量数据共享                 |
| 消息队列     | 否             | 中       | 否         | 异步通信、任务调度           |

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## 五、示例代码（简略）

### 1. 信号灯（C语言示例）：
```c
#include <semaphore.h>
sem_t sem;

sem_init(&sem, 0, 1); // 初始化为1
sem_wait(&sem);      // P操作
// 访问共享资源
sem_post(&sem);      // V操作
```

### 2. 共享内存（C语言示例）：
```c
key_t key = ftok("file", 'a');
int shmid = shmget(key, 1024, 0666 | IPC_CREAT);
char *data = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
strcpy(data, "Hello");
shmdt(data);
```

### 3. 消息队列（C语言示例）：
```c
struct msgbuf {
    long mtype;
    char mtext[100];
};

int msqid = msgget(ftok("file", 'a'), 0666 | IPC_CREAT);
struct msgbuf msg;
msg.mtype = 1;
strcpy(msg.mtext, "Hello");
msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg), 0);

msgrcv(msqid, &msg, sizeof(msg), 1, 0);
printf("Received: %s\n", msg.mtext);
```

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