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管道、消息队列与套接字 ​

基于通用操作系统概念 · 核于 2026-08

速查 ​

  • 匿名管道（pipe）：pipe() 返回读/写两个 fd，半双工字节流，只能父子进程间用（fork 继承 fd），写满/读空会阻塞，随进程消亡。
  • 命名管道（FIFO）：mkfifo 在文件系统建一条带路径的特殊文件，任意进程可 open，仍是半双工字节流——用于无亲缘关系的进程。
  • 消息队列：内核维护带类型的结构化消息链表，msgsnd/msgrcv 收发，有消息边界（不像 pipe 字节流），可按类型筛选。
  • 套接字（socket）：最通用 IPC——本机用 UNIX domain socket（文件路径，比 TCP 快），跨机用 TCP/UDP（IP+端口），是网络通信根基。
  • 信号（signal）：异步软件中断，kill(pid, sig) 发送，目标进程被中断跳到处理函数——SIGINT（Ctrl+C）/SIGKILL（强杀）/SIGCHLD（子进程退出），只传编号不传数据。
  • 管道 vs 消息队列：管道是无边界字节流（两次 write 可能被一次 read 合并读出）；消息队列保留边界（一条一条取）。
  • pipe 半双工：单向，要双向得开两条 pipe；FIFO 同理。
  • 阻塞语义：管道/消息队列读写默认阻塞（写满等读、读空等写）；socket 可设 O_NONBLOCK 配合 select/epoll 做异步。
  • 管道容量：Linux 默认 64KB 内核缓冲，写满后 write 阻塞直到被读走。
  • SIGKILL/SIGSTOP 不可捕获：内核直接处理，进程无法自定义 handler（保证一定能杀掉进程）。
  • 跨机能力：管道/FIFO/消息队列只本机；socket 与 RPC 才能跨机。

一、匿名管道：父子进程的半双工通道 ​

匿名管道由 pipe() 系统调用创建，返回一对文件描述符 fd[0]（读端）和 fd[1]（写端）。它是半双工的——数据只能从 fd[1] 流向 fd[0]。匿名管道没有名字，只能通过 fork 让子进程继承 fd 来共享，所以只在有亲缘关系的进程间可用。

父进程
  pipe(fds)        → fds = {读端 r, 写端 w}
  fork()           → 子进程也拿到同样的 {r, w}
        ↓
父进程 close(r)，写 w    子进程 close(w)，读 r
   "hello"  ────────字节流──────→  read 出 "hello"
                  （内核缓冲，默认 64KB）
  • 半双工：单向。要双向通信就开两条 pipe（一条父→子，一条子→父）。
  • 字节流无边界：父进程两次 write("ab", "cd")，子进程可能一次 read 读出 "abcd"——管道不保留写入边界。
  • 阻塞：写满（缓冲满）时 write 阻塞，读空时 read 阻塞；所有写端关闭后 read 返回 0（EOF）。
  • 生命周期：所有 fd 关闭后管道消失，随进程消亡。
  • shell 的 |：ls | grep 就是用 pipe 实现——shell fork 两个进程，把 ls 的 stdout 接到 grep 的 stdin。

二、命名管道 FIFO：任意进程可用的管道 ​

命名管道（FIFO）用 mkfifo 在文件系统里创建一条特殊文件（有路径名），任何有权限的进程都能 open 它来读写。它解决了匿名管道"只能父子用"的限制：

$ mkfifo /tmp/myfifo          # 建一条命名管道（文件系统里有名字）
# 进程 A                         进程 B
fd = open("/tmp/myfifo", O_WRONLY)
write(fd, data, n)  ──────────→ fd = open("/tmp/myfifo", O_RDONLY)
                                 read(fd, buf, n)
  • 任意进程：只要能访问该路径就能通信，无需亲缘关系。
  • 仍是半双工字节流：和匿名管道一样，要双向开两条 FIFO。
  • open 会阻塞：以只读打开会阻塞直到有进程以只写打开（反之亦然）——保证双方都在场。
  • 持久：FIFO 文件本身留在文件系统，unlink 才删除（但管道内的数据仍随进程消亡，不持久化到磁盘）。

三、消息队列：有边界的结构化消息 ​

消息队列是内核维护的消息链表。每条消息由类型（long）和数据组成。发送方 msgsnd 把消息挂到队尾，接收方 msgrcv 按类型筛选取出。与管道最大的区别是保留消息边界——发三条收三条，不会粘连。

c
struct my_msg {
    long mtype;          // 消息类型（必须 > 0）
    char mtext[100];     // 数据
};
msgsnd(qid, &msg, len, IPC_NOWAIT);   // 发
msgrcv(qid, &msg, len, type, 0);      // 收，type 指定取哪类
  • 有边界：一条一条存取，不像 pipe 的字节流。
  • 按类型筛选：msgrcv 可以只取 mtype == 3 的消息，实现优先级/分类。
  • 无亲缘限制：任意进程用同一个 queue id（key）即可。
  • 生命周期：消息队列由内核持有，进程退出后仍在，直到显式 msgctl(IPC_RMID) 或系统重启（这点要小心，容易残留）。
  • System V vs POSIX：两套 API（msgsnd/msgrcv vs mq_send/mq_receive），POSIX 更现代但兼容性 System V 更广。

四、套接字：从本机到跨机的通用 IPC ​

套接字是最通用的 IPC，由 socket() 创建一个通信端点。它的强大在于双模：既可本机通信（UNIX domain socket），也可跨机通信（TCP/UDP）。

本机（UNIX domain socket）：     跨机（TCP/UDP）：
socket(AF_UNIX, ...)             socket(AF_INET, ...)
bind("/tmp/sock")                bind("10.0.0.1:8080")
不走协议栈，比 TCP 快             要经过 TCP/IP 协议栈
  • 本机首选：进程间同机通信，UNIX domain socket 比 TCP 快（不经过协议栈、不计算校验和），docker/MySQL/X11 都用它。
  • 跨机：TCP（可靠字节流）/UDP（不可靠数据报），是所有网络应用的基础——HTTP、RPC、WebSocket 都跑在 socket 上。
  • 全双工：socket 天生双向，不像 pipe 要开两条。
  • 可阻塞/非阻塞：默认阻塞，设 O_NONBLOCK 后配合 select/poll/epoll 可实现单线程管理大量连接（IO 多路复用，nginx/Redis 的核心）。
  • 代价：跨机 socket 要经过协议栈（分包、校验、拥塞控制），是 IPC 里最慢的。

五、信号：异步通知机制 ​

信号（signal）是一种异步通知——内核或进程用 kill(pid, sig) 给目标进程发一个信号编号，目标进程无论正在执行什么，都会被中断，跳转到预先注册的信号处理函数，处理完再返回原处。

信号编号含义可捕获
SIGINT2Ctrl+C 中断✅
SIGKILL9强制杀进程❌（内核直接处理）
SIGTERM15请求终止（可被 handler 拦截做清理）✅
SIGSTOP19暂停进程❌
SIGCHLD17子进程退出通知父进程✅
SIGSEGV11段错误（非法内存访问）✅（但通常仍会终止）
  • 异步：信号可能在程序执行任意指令时到达（除了某些不可中断的内核操作）。
  • 只传编号：标准信号不带数据，只表达"事件发生了"。sigqueue 可附带一个整数，但用得少。
  • 不可捕获的信号：SIGKILL/SIGSTOP 无法被拦截/忽略——这是 OS 留的"最后手段"，保证一定能控制进程。
  • 不是好的数据通道：信号适合通知（如"配置变了请重载"），不适合传大量数据——频繁信号会打断逻辑、可重入性差。

下一步 ​

数据传递类讲完后，下一步看共享内存与 RPC——最快的 IPC（共享内存）为何要配信号量、mmap 的用法、RPC 如何让跨机调用透明化，以及所有 IPC 机制的完整对比表。