APUE 進程間通信（IPC）完整實戰：管道、FIFO、XSI IPC（消息隊列、信號量、共享記憶體）

APUE 進程間通信（IPC）完整實戰：管道、FIFO、XSI IPC（消息隊列、信號量、共享記憶體）

本文為《Unix 環境高級編程》（APUE）學習筆記第十二篇，系統梳理 Unix/Linux 進程間通信機制：匿名管道、命名管道、System V IPC 三大組件（消息隊列、信號量、共享記憶體），並提供可編譯運行的完整 C 代碼範例。

一、管道

1. 特性

• 半雙工：同一時間數據單向流動。
• 固定讀端（pipefd[0]）與寫端（pipefd[1]）。
• 自適應阻塞：寫滿阻塞寫者，讀空阻塞讀者。
• 僅限親緣關系進程（父子、兄弟）。

2. pipe(2) 創建匿名管道

int pipe(int pipefd[2]); // 成功返回 0，pipefd[0] 讀端，pipefd[1] 寫端

3. 父子進程傳遞 "Hello!" 完整範例

int pd[2]; pipe(pd);
pid = fork();
if (pid == 0) { // 子進程讀
    close(pd[1]);
    read(pd[0], buf, BUFSIZE);
    puts(buf);
    close(pd[0]);
} else { // 父進程寫
    close(pd[0]);
    write(pd[1], "Hello!", 6);
    close(pd[1]);
    wait(NULL);
}

二、命名管道

1. mkfifo(3) 創建 FIFO 文件

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); // 權限需 & umask

• 磁盤上有實體文件，任意有權限進程可 open/read/write/close。
• 無親緣關系限制，適合無關進程通信。

2. 兩個無關子進程雙向通信範例

mkfifo("/tmp/myfifo", 0644);
fork() 兩次創建 child1、child2，父進程退出使其無親緣關系。
child1: open(O_RDWR) → write("Hello") → sleep(1) → read() → remove()
child2: open(O_RDWR) → read() → write(" World!")

關鍵點：sleep(1) 確保對方讀走數據再寫入，避免讀到自己寫的「髒數據」。

三、協同進程：雙管道實現全雙工

單管道半雙工，需兩個管道：進程 A 讀管道 1 寫管道 2，進程 B 讀管道 2 寫管道 1。

四、XSI IPC 概覽與管理命令

• ipcs：查看共享記憶體、信號量、消息隊列狀態。
• ipcrm：刪除殘留 IPC 對象。

三大組件均遵循 xxxget() 創建/獲取、xxxop() 操作、xxxctl() 控制/銷毀 命名規範。

五、XSI 消息隊列

1. 協議定義

struct msg_st {
    long mtype;       // 必須 > 0，消息類型
    char name[32];
    int math, chinese;
};

2. 核心函數

• msgget(key, IPC_CREAT|0600)：創建/獲取隊列，key 由 ftok(path, proj) 生成。
• msgsnd(msqid, &msg, size, 0)：發送。
• msgrcv(msqid, &msg, size, type, 0)：接收，type=0 表先進先出。
• msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL)：銷毀。

3. 收發雙進程完整代碼

見原文 proto.h、rcver.c、snder.c，接收方先啟動創建隊列，發送方同 key 獲取並發送結構體。

六、XSI 信號量

1. 核心函數

• semget(key, nsems, flags)：創建信號量集，nsems=1 可模擬互斥鎖。
• semctl(semid, semnum, cmd, ...)：SETVAL 初始化值，IPC_RMID 刪除。
• semop(semid, &sops, nsops)：sem_op=-1 申請資源（P 操作），=1 釋放資源（V 操作）。

2. 20 進程並發遞增文件計數器（互斥鎖）

semid = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0600);
semctl(semid, 0, SETVAL, 1); // 初始化為 1
P() { semop(semid, &{0, -1, 0}, 1); }
V() { semop(semid, &{0, 1, 0}, 1); }
func_add() { P(); read-modify-write file; V(); }

七、XSI 共享記憶體

1. 核心函數

• shmget(key, size, flags)：創建段，返回 shmid。
• shmat(shmid, NULL, 0)：掛接到進程位址空間，返回指標。
• shmdt(addr)：分離。
• shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL)：刪除（由創建者調用）。

2. 父子進程通信範例

shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, 0600);
fork();
child: str = shmat(shmid, NULL, 0); strcpy(str, "Hello!"); shmdt(str);
parent: wait(); str = shmat(shmid, NULL, 0); puts(str); shmdt(str); shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

八、總結與選型建議

實際工程中常組合使用：共享記憶體 + 信號量/互斥鎖 實現高效同步數據交換。

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