Linux 多執行緒與進程通訊實戰：互斥鎖、條件變數、管道、共享記憶體、信號量完整範例

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從管道到共享記憶體：Linux IPC 機制全景實作指南

Linux 提供豐富的進程間通訊（IPC）與執行緒同步機制。本文系統整理 8 大 IPC 方式，並提供 生產者-消費者模型（pthread 條件變數）、命名管道、System V 信號量、訊息佇列、共享記憶體、信號六大完整可編譯執行範例。

IPC 機制快速選型表

機制	適用場景	資料流向	同步支援	跨主機	效能
管道	親緣關係進程	單向	內建阻塞	否	中
命名管道 (FIFO)	無親緣進程	單向	內建阻塞	否	中
信號	異步事件通知	單向	信號處理函數	否	低（資料量極小）
訊息佇列	結構化資料交換	雙向	阻塞收發	否	中
共享記憶體	大量資料高速共享	隨機存取	需配合信號量/互斥鎖	否	最高
記憶體映射 (mmap)	檔案/裝置映射共享	隨機存取	需額外同步	否	高
信號量	同步/互斥控制	控制訊號	P/V 原語	否	高（核心態）
Socket	網路/跨主機通訊	雙向串流/資料包	阻塞/非阻塞/epoll	是	視網路

範例 1：執行緒同步——生產者/消費者 (pthread_mutex + pthread_cond)

環狀緩衝區，notempty/notfull 兩條件變數實現無忙等待同步。

// 關鍵結構
struct prodcons {
    int buffer[16];
    pthread_mutex_t lock;
    pthread_cond_t notempty, notfull;
    int readpos, writepos;
};

// 放入資料
void put(struct prodcons *b, int data) {
    pthread_mutex_lock(&b->lock);
    while ((b->writepos + 1) % 16 == b->readpos)
        pthread_cond_wait(&b->notfull, &b->lock); // 等待非滿
    b->buffer[b->writepos++] = data;
    b->writepos %= 16;
    pthread_cond_signal(&b->notempty); // 通知非空
    pthread_mutex_unlock(&b->lock);
}

// 取出資料
int get(struct prodcons *b) {
    pthread_mutex_lock(&b->lock);
    while (b->writepos == b->readpos)
        pthread_cond_wait(&b->notempty, &b->lock); // 等待非空
    int data = b->buffer[b->readpos++];
    b->readpos %= 16;
    pthread_cond_signal(&b->notfull);
    pthread_mutex_unlock(&b->lock);
    return data;
}

關鍵點：while 而非 if 檢查條件（防止虛假喚醒）；pthread_cond_wait 原子釋放鎖並休眠，喚醒後重新獲取鎖。

範例 2：命名管道 (FIFO) 雙向通訊

// 建立 FIFO
mkfifo("fifo.demo", 0666);

// 寫入端 (writefifo.c)
int fd = open("fifo.demo", O_WRONLY); // 讀端未開啟時阻塞
while (fgets(buf, N, stdin)) {
    write(fd, buf, strlen(buf));
    if (strncmp(buf, "exit", 4) == 0) break;
}

// 讀取端 (readfifo.c)
int fd = open("fifo.demo", O_RDONLY); // 寫端未開啟時阻塞
while ((n = read(fd, buf, N)) > 0)
    write(STDOUT_FILENO, buf, n);

非阻塞模式：open(..., O_RDONLY | O_NONBLOCK)。

範例 3：System V 信號量實現互斥列印

// P 操作 (等待/鎖定)
struct sembuf sem_b = {0, -1, SEM_UNDO};
semop(sem_id, &sem_b, 1);

// V 操作 (釋放/解鎖)
sem_b.sem_op = 1;
semop(sem_id, &sem_b, 1);

兩進程交替列印 X、Y，展示關鍵區保護。SEM_UNDO 確保進程異常終止時自動釋放信號量。

範例 4：訊息佇列

key_t key = ftok(".", 'a');
int qid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
struct msgbuf { long mtype; char mtext[512]; } msg;
msgsnd(qid, &msg, len, 0); // 發送
msgrcv(qid, &msg, 512, 0, 0); // 接收 (mtype=0 取首個)
msgctl(qid, IPC_RMID, NULL); // 刪除

範例 5：共享記憶體 + 信號同步 (雙進程聊天)

結構體包含 pid_t pid 交換進程 ID，透過 SIGUSR1 通知對方資料就緒。

// 關鍵流程
shmid = shmget(key, sizeof(SHM), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);
shmaddr->pid = getpid();
pause(); // 等待對方就緒
// 之後雙方透過 kill(peerpid, SIGUSR1) 互相通知

IPC_EXCL 判斷誰是第一個建立者，避免競爭條件。

範例 6：信號模擬公車司機/售票員協作

// 司機進程
signal(SIGTSTP, driver_handler); // Ctrl+Z: 發車/到站
signal(SIGUSR1, driver_handler); // 售票員通知發車
signal(SIGUSR2, driver_handler); // 售票員通知停車

// 售票員進程
signal(SIGINT, conductor_handler); // Ctrl+C: 發車
signal(SIGQUIT, conductor_handler); // Ctrl+\: 停車
signal(SIGUSR1, conductor_handler); // 司機通知到站

工程實踐建議

優先選用高層抽象：POSIX 訊息佇列、pthread 條件變數、eventfd/signalfd (Linux 專用) 比 System V IPC 更現代、介面更簡潔。
共享記憶體必須配合同步：單獨使用會導致資料競爭，搭配信號量、futex 或 RCU。
清理機制：使用 IPC_RMID、shmctl、semctl、msgctl 及時釋放核心資源，避免洩漏。
錯誤處理：所有系統呼叫檢查回傳值，errno 區分 EINTR (被信號中斷) 需重試與真正錯誤。
容器化環境：System V IPC 需 --ipc=host 或適當 namespace 設定。