进程间通信（IPC）总览

一句话定义

进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）是操作系统为相互隔离的进程提供的数据交换与事件通知机制族，按"经过内核拷贝几次"与"是否需要同步"分为不同代价档位。

为什么重要

隔离（独立地址空间）与协作（交换数据）天然矛盾，IPC 就是这对矛盾的官方解法。微服务间的 RPC 底层是套接字，Shell 的管道是 Unix 哲学的化身，数据库的 WAL 与共享内存方案直接决定吞吐。选错 IPC 档位是很多"莫名慢"的根因。

前置知识

kp-005（进程隔离与文件描述符）；kp-003（系统调用）。

核心概念

• 匿名管道（pipe）：单向字节流，仅限父子进程，Shell 的 | 即它。
• 命名管道（FIFO）：有名字的管道，无亲缘关系的进程可用。
• 消息队列：内核维护的离散消息链表，有边界、可选优先级。
• 共享内存（shm/memfd）：同一块物理内存映射进多个进程，速度最快但需自行同步（配合 kp-013 信号量）。
• 信号（signal）：异步事件通知，带编号与默认动作，不是可靠的数据通道。
• 套接字（socket）：跨主机与本地（Unix domain socket）通吃的通用接口。

原理与机制

按代价与语义对比选型：

管道的实现要点：内核用环形缓冲页承载字节流，读端写端各持一个文件描述符；写端全部关闭后读端读到 EOF，这是 cat file | head 能优雅终止（SIGPIPE）的机制基础。

图示

共享内存路径:   进程A --映射--> [同一物理页] <--映射-- 进程B      (0 次拷贝, 需自配锁)
管道路径:       进程A --write--> [内核缓冲] --read--> 进程B      (2 次拷贝, 内核管同步)

直观类比

管道像食堂传菜口：单向、排队、口子关了就知道没菜了。共享内存像两家人共用同一个冰箱：放取最快，但必须自定规矩（锁）防止同时伸手。信号像火警铃：只能告诉你"有事"，传递不了详细信息。

实例或案例

who | wc -l                     # 匿名管道：ps 的输出成为 wc 的输入
mkfifo /tmp/myfifo              # 命名管道实验：
( cat /tmp/myfifo & ) ; echo hello > /tmp/myfifo
strace -e trace=pipe,pipe2,read,write sh -c 'echo hi | cat'   # 观察 pipe2 与读写序列
ipcs -m                         # 查看系统共享内存段（System V 接口）

常见误区

• 认为共享内存自动同步：它只提供内存，读写并发保护必须自己加锁或信号量。
• 把信号当可靠队列：同类未决信号会合并，处理函数里还只能用异步信号安全函数。
• 忽略 SIGPIPE：向已关闭的管道写会触发默认终止进程，网络服务必须显式忽略并处理 EPIPE。

与其他知识点的关系

管道与套接字的阻塞/非阻塞语义延伸到 kp-028 的 I/O 多路复用；共享内存的同步问题正是 kp-012、kp-013 的应用场景。

延伸阅读

《UNIX 环境高级编程》（APUE）第 15、16 章；man 7 pipe、man 7 sigevent。

自测题

1. 为什么共享内存最快却不能到处用？

答：它省掉了内核拷贝，但同步责任完全交给应用，稍有不慎就引入竞态；低频小数据用管道或套接字更简单可靠。

1. Shell 管道 a | b 中，a 退出后 b 如何知道数据结束？

答：a 的写端描述符随进程退出被关闭，b 读到 EOF（read 返回 0），这就是字节流的结束信号。

1. 信号与消息队列最本质的差别？

答：信号是异步通知（无数据边界、会合并、打断执行流），消息队列是同步读取的数据通道（消息有边界、按序排队）。