# 第08讲：进程间通信

> 🎯 **本节目标**：掌握管道、消息队列、共享内存等进程间通信方式

## 📋 前置知识
- [[06_进程控制]] — 进程的基本概念
- [[06_进程控制_深入]] — fork 和 exec 的工作原理

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## 🤔 为什么需要这个？

进程之间是相互隔离的，每个进程有自己的地址空间。但有时候进程需要协作：
- Shell 需要将 `ls` 的输出传给 `grep`
- 浏览器需要与下载管理器通信
- 数据库需要与应用程序交互

**进程间通信（IPC）** 就是解决这个问题的。

**生活比喻**：
- **管道** = 对讲机（单向通信）
- **消息队列** = 邮箱（异步通信）
- **共享内存** = 共享白板（最快的通信方式）

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## 📖 核心概念

### 1. IPC 方式概览

```mermaid
graph TD
    A[进程间通信 IPC] --> B[管道 Pipe]
    A --> C[消息队列 Message Queue]
    A --> D[共享内存 Shared Memory]
    A --> E[信号 Signal]
    A --> F[信号量 Semaphore]
    A --> G[套接字 Socket]

    B --> B1[单向通信]
    C --> C1[异步通信]
    D --> D1[最快]
    E --> E1[异步通知]
    F --> F1[同步控制]
    G --> G1[网络通信]

    style A fill:#e1f5fe
    style D fill:#e8f5e9
```

**对比**：
| 方式 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|------|------|------|----------|
| 管道 | 简单、易用 | 单向、只能父子进程 | Shell 命令组合 |
| 消息队列 | 异步、可按类型读取 | 有大小限制 | 任务分发 |
| 共享内存 | 最快 | 需要同步机制 | 大量数据交换 |
| 信号 | 异步通知 | 只能传递信号编号 | 事件通知 |
| 信号量 | 同步控制 | 不能传递数据 | 互斥、同步 |
| 套接字 | 跨网络 | 开销大 | 网络通信 |

### 2. 管道（Pipe）

管道是最古老的 IPC 方式，用于有亲缘关系的进程之间：

```mermaid
graph LR
    A[写端 fd[1]] -->|数据流| B[读端 fd[0]]

    style A fill:#e8f5e9
    style B fill:#e1f5fe
```

**特点**：
- **单向**：只能从一端写，另一端读
- **有亲缘关系**：通常用于父子进程
- **自带同步**：读端空时阻塞，写端满时阻塞

### 3. 命名管道（FIFO）

命名管道让没有亲缘关系的进程也能通信：

```mermaid
graph LR
    A[进程1] -->|写入| B[/tmp/my_fifo]
    B -->|读取| C[进程2]

    style B fill:#fff3e0
```

**特点**：
- 有文件名，存在于文件系统中
- 任意进程都可以打开
- 使用方法与普通文件相同

### 4. 消息队列

消息队列是一种异步通信方式：

```mermaid
graph LR
    A[发送方 msgsnd] -->|消息| B[消息队列]
    B -->|消息| C[接收方 msgrcv]

    style B fill:#fff3e0
```

**消息结构**：
```c
struct msgbuf {
    long mtype;      // 消息类型
    char mtext[512]; // 消息内容
};
```

**优势**：
- 可以按类型读取消息
- 异步通信，不需要同步
- 可以设置优先级

### 5. 共享内存

共享内存是最快的 IPC 方式：

```mermaid
graph TD
    A[进程1] -->|读写| B[共享内存区域]
    C[进程2] -->|读写| B

    style B fill:#e8f5e9
```

**工作流程**：
1. 创建共享内存段
2. 将共享内存映射到进程地址空间
3. 直接读写共享内存
4. 使用完毕后分离

**注意**：共享内存本身不提供同步机制，需要配合信号量使用。

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## 💻 动手实践

### 示例1：使用管道通信

```c
// pipe1.c - 管道通信示例
#include "wrapper.h"

int main() {
    int count;
    int fds[2];  // fds[0]=读端, fds[1]=写端
    const char some_data[] = "1234567890";
    char buffer[BUFSIZ + 1];

    memset(buffer, '\0', sizeof(buffer));

    // 创建管道
    pipe(fds);

    // 向管道写入数据
    count = Write(fds[1], (void *)some_data, strlen(some_data));
    printf("Wrote %d bytes\n", count);

    // 从管道读取数据
    count = Read(fds[0], (void *)buffer, BUFSIZ);
    printf("Read %d bytes: %s\n", count, buffer);

    exit(EXIT_SUCCESS);
}
```

**编译运行**：
```bash
gcc -o pipe1 pipe1.c -L. -lwrapper
./pipe1
```

**预期输出**：
```
Wrote 10 bytes
Read 10 bytes: 1234567890
```

### 示例2：创建命名管道

```c
// fifo1.c - 创建命名管道
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

int main() {
    int res = mkfifo("/tmp/my_fifo", 0777);
    if (res == 0)
        printf("FIFO created\n");
    exit(EXIT_SUCCESS);
}
```

**编译运行**：
```bash
gcc -o fifo1 fifo1.c
./fifo1
ls -l /tmp/my_fifo
```

**使用命名管道**：
```bash
# 终端1：写入数据
echo "Hello FIFO" > /tmp/my_fifo

# 终端2：读取数据
cat /tmp/my_fifo
```

### 示例3：共享内存通信

```c
// shmwrite.c - 写入共享内存
#include "wrapper.h"

int main(int argc, char *argv[]) {
    int shmid;
    key_t key;
    void *shmptr;

    if (argc <= 1) {
        fprintf(stderr, "请以 ./shmwrite <key> <message> 形式运行\n");
        exit(2);
    }

    // 将参数转换成十六进制数作为 key
    sscanf(argv[1], "%x", &key);

    // 创建共享内存
    shmid = Shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0644);

    // 将共享内存映射到进程地址空间
    shmptr = Shmat(shmid, 0, 0);

    // 写入数据
    memcpy(shmptr, argv[2], strlen(argv[2]) + 1);

    // 分离共享内存
    Shmdt(shmptr);
    exit(0);
}
```

```c
// shmread.c - 读取共享内存
#include "wrapper.h"

int main(int argc, char *argv[]) {
    int shmid;
    key_t key;
    void *shmptr;

    if (argc <= 1) {
        fprintf(stderr, "请以 ./shmread <key> 形式运行\n");
        exit(2);
    }

    sscanf(argv[1], "%x", &key);

    // 获取已存在的共享内存
    shmid = Shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0644);

    // 映射共享内存
    shmptr = Shmat(shmid, 0, 0);

    // 读取数据
    printf("%s\n", (char *)shmptr);

    // 分离共享内存
    Shmdt(shmptr);
    exit(0);
}
```

**编译运行**：
```bash
gcc -o shmwrite shmwrite.c -L. -lwrapper
gcc -o shmread shmread.c -L. -lwrapper

# 写入数据
./shmwrite 0x12345678 "Hello Shared Memory!"

# 读取数据
./shmread 0x12345678
```

**预期输出**：
```
Hello Shared Memory!
```

### 示例4：消息队列通信

```c
// msgsnd1.c - 发送消息
#include "wrapper.h"

typedef struct MESSAGE {
    int mtype;
    char mtext[512];
} mymsg, *pmymsg;

int main(int argc, char *argv[]) {
    int msqid;
    key_t key;
    mymsg msginfo;

    if (argc != 3) {
        fprintf(stderr, "使用方法: msgsnd1 <key> <message>\n");
        exit(2);
    }

    sscanf(argv[1], "%x", &key);

    // 获取消息队列
    msqid = Msgget(key, 0644);

    // 设置消息类型和内容
    msginfo.mtype = 1;
    memcpy(&msginfo.mtext, argv[2], strlen(argv[2]) + 1);

    // 发送消息
    Msgsnd(msqid, (pmymsg)&msginfo, strlen(msginfo.mtext) + 1, 0);
    printf("you send a message \"%s\" to msq %d\n", argv[1], msqid);
    return 0;
}
```

```c
// msgrcv1.c - 接收消息
#include "wrapper.h"

typedef struct MESSAGE {
    int mtype;
    char mtext[512];
} mymsg, *pmymsg;

int main(int argc, char *argv[]) {
    int msqid;
    key_t key;
    mymsg msginfo;

    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "使用方法: msgrcv1 <key>\n");
        exit(2);
    }

    sscanf(argv[1], "%x", &key);

    // 获取消息队列
    msqid = Msgget(key, 0644);

    // 接收消息（类型为1）
    msgrcv(msqid, (pmymsg)&msginfo, 512, 1, 0);
    printf("%s\n", msginfo.mtext);
    return 0;
}
```

**编译运行**：
```bash
gcc -o msgsnd1 msgsnd1.c -L. -lwrapper
gcc -o msgrcv1 msgrcv1.c -L. -lwrapper

# 发送消息
./msgsnd1 0x12345678 "Hello Message Queue!"

# 接收消息
./msgrcv1 0x12345678
```

**预期输出**：
```
Hello Message Queue!
```

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## 🔗 知识关联
- 管道在 Shell 中广泛使用，详见 [[06_进程控制_深入]]
- 共享内存的同步需要信号量，详见 [[07_多线程编程]]
- 套接字是网络通信的基础，详见 [[09_网络编程]]

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## 📝 思考题

1. **管道的局限性**：为什么管道只能用于有亲缘关系的进程？
2. **共享内存的速度优势**：为什么共享内存比管道快？
3. **消息队列 vs 管道**：在什么场景下消息队列比管道更合适？

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## 📚 扩展阅读
- 《UNIX环境高级编程》第15章：进程间通信
- 《深入理解计算机系统》第10章：系统级I/O
- [Linux IPC 编程](https://www.tldp.org/LDP/tlk/ipc/ipc.html)