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在C++中进程间通信（IPC）

ai 2025/6/16 10:17:33

在C++中，进程间通信（IPC）是让多个独立进程交换数据和协调操作的机制。以下详细介绍三种常见的IPC方式：

一、管道（Pipes）

管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，分为匿名管道和命名管道。

匿名管道（Anonymous Pipes）

特点：
- 只能用于父子进程或兄弟进程之间（具有亲缘关系的进程）。
- 单向通信，一端读，一端写。
- 生命周期随进程结束而销毁。
原理：
- 通过系统调用pipe(int fd[2])创建，返回两个文件描述符：fd[0]（读端）和fd[1]（写端）。
- 数据写入管道后存储在内核缓冲区，读取后即被移除。
示例代码（父子进程通信）：

#include <unistd.h>
#include <iostream>int main() {int fd[2];char buffer[100];if (pipe(fd) == -1) {perror("pipe failed");return 1;}pid_t pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork failed");return 1;}if (pid == 0) {  // 子进程：写数据close(fd[0]);  // 关闭读端const char* msg = "Hello from child!";write(fd[1], msg, strlen(msg) + 1);close(fd[1]);} else {  // 父进程：读数据close(fd[1]);  // 关闭写端read(fd[0], buffer, sizeof(buffer));std::cout << "Parent received: " << buffer << std::endl;close(fd[0]);}return 0;
}

命名管道（Named Pipes/FIFOs）

特点：
- 以文件形式存在（通过mkfifo创建），可用于无亲缘关系的进程。
- 遵循先进先出（FIFO）原则。
- 进程通过打开文件进行读写。
示例代码：

// 写进程
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd = open("myfifo", O_WRONLY);write(fd, "Hello from writer!", 18);close(fd);return 0;
}// 读进程
#include <fcntl.h>
#include <iostream>
#include <unistd.h>int main() {int fd = open("myfifo", O_RDONLY);char buffer[100];read(fd, buffer, 100);std::cout << "Reader received: " << buffer << std::endl;close(fd);return 0;
}

注意：需先创建FIFO文件：mkfifo myfifo。

二、共享内存（Shared Memory）

共享内存允许多个进程直接访问同一块物理内存，是最快的IPC方式。

特点：

高效：数据无需复制，直接通过指针访问。
需同步：需配合信号量或互斥锁避免竞态条件。
生命周期：独立于进程，需手动删除。

原理：

创建共享内存段（shmget）。
将其映射到进程的地址空间（shmat）。
进程读写内存，操作完成后解除映射（shmdt）并删除（shmctl）。

示例代码：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <iostream>
#include <cstring>int main() {// 创建共享内存段（键值为1234，大小1024字节）int shmid = shmget(1234, 1024, 0666 | IPC_CREAT);if (shmid == -1) {perror("shmget failed");return 1;}// 映射到当前进程char* shared_memory = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);if (shared_memory == (char*)-1) {perror("shmat failed");return 1;}// 写入数据std::strcpy(shared_memory, "Hello from shared memory!");// 解除映射if (shmdt(shared_memory) == -1) {perror("shmdt failed");return 1;}// 读取数据的进程类似，只需将写入操作改为读取return 0;
}

三、消息队列（Message Queues）

消息队列是内核管理的链表，进程通过发送/接收消息进行通信。

特点：

异步通信：发送方和接收方无需同时运行。
消息类型：消息可按类型分类，接收方可选定类型接收。
持久化：消息会一直存在，直到被读取或队列被删除。

原理：

创建消息队列（msgget）。
发送消息（msgsnd）和接收消息（msgrcv）。
删除队列（msgctl）。

示例代码：

#include <sys/msg.h>
#include <iostream>
#include <cstring>struct Message {long mtype;       // 消息类型（必须大于0）char mtext[100];  // 消息内容
};int main() {// 创建消息队列（键值为5678）int msgid = msgget(5678, 0666 | IPC_CREAT);if (msgid == -1) {perror("msgget failed");return 1;}// 发送消息Message msg;msg.mtype = 1;std::strcpy(msg.mtext, "Hello from message queue!");if (msgsnd(msgid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0) == -1) {perror("msgsnd failed");return 1;}// 接收消息Message received;if (msgrcv(msgid, &received, sizeof(received.mtext), 1, 0) == -1) {perror("msgrcv failed");return 1;}std::cout << "Received: " << received.mtext << std::endl;// 删除队列if (msgctl(msgid, IPC_RMID, nullptr) == -1) {perror("msgctl failed");return 1;}return 0;
}

对比与选择

方式	优点	缺点	适用场景
管道	简单易用，自动同步	单向，容量有限	父子进程间少量数据传输
共享内存	速度最快，适合大量数据	需手动同步，管理复杂	高性能计算，图形处理
消息队列	异步通信，按类型分类	效率低于共享内存	分布式系统，事件驱动架构