操作系统

IPC

  • 进程间通信（IPC，Inter-Process Communication）是操作系统中多个进程交换数据、协同工作的核心机制。不同的 IPC 方式适用于不同的场景，其设计原理、性能和适用范围差异较大。
  • 常见进程间通信方式及原理如下

1.管道（Pipe）与命名管道（FIFO）

  • 原理：管道是内核中的一段环形缓冲区，通过 “读 / 写” 操作实现进程间字节流传递，本质是 “文件描述符” 的抽象。
  1. 匿名管道（Pipe）：仅用于父子进程或亲缘进程（如 fork 创建的子进程），生命周期随进程结束而销毁，无文件名，通过pipe()系统调用创建。
  2. 命名管道（FIFO）：可用于非亲缘进程，通过文件系统中的路径（如/tmp/myfifo）标识，生命周期独立于进程，通过mkfifo()创建，读写方式与文件一致。
  • 实际应用
  1. 匿名管道：Shell 中的管道命令（如ls -l | grep .txt），父进程（ls）写入数据，子进程（grep）读取，实现命令协作。
  2. 命名管道：本地服务间的简单通信，如日志收集（应用进程写入日志到 FIFO，日志进程从 FIFO 读取并存储）。
  3. 典型场景：轻量、单向、低延迟的本地进程通信，无需跨网络。

2.消息队列（Message Queue）

  • 原理：内核维护的消息链表，进程可按 “类型” 发送 / 接收消息（消息包含类型和数据），支持异步通信，无需进程同步等待。
  1. 发送方通过msgsnd()将消息放入队列，接收方通过msgrcv()按类型提取消息（可过滤特定类型）。
  2. 消息有大小限制（通常几 KB），队列总容量有限制。
  • 实际应用
  1. 分布式任务调度：如公司内部的任务分配系统（调度进程向队列发送任务， Worker 进程按类型领取任务）。
  2. 异步通知：电商订单系统中，支付进程完成后向消息队列发送 “支付成功” 消息，物流进程监听并处理。
  • 局限性：不适合高频、大数据量场景（性能低于共享内存），目前逐步被分布式消息中间件（如 RabbitMQ）替代。

3.共享内存（Shared Memory）

  • 原理：多个进程将同一块物理内存映射到各自的虚拟地址空间，直接读写内存实现通信，是速度最快的 IPC 方式（无需内核中转数据）。
  1. 需配合同步机制（如信号量）防止并发读写冲突。
  2. 通过shmget()（创建）、shmat()（映射到进程）等系统调用实现。
  • 实际应用
  1. 高频实时数据交换：金融交易系统（如股票行情推送，行情服务器将实时价格写入共享内存，多个交易进程直接读取，延迟 < 1ms）。
  2. 大型数据共享：视频处理软件（如 Adobe Premiere，多个滤镜进程共享同一视频帧数据，避免数据拷贝）。
  3. 典型公司：高频交易公司（如 Jump Trading）、实时渲染引擎（如 Unity 引擎的多进程渲染）。

4.信号量（Semaphore）

  • 原理：内核维护的计数器，用于控制多个进程对共享资源的访问（同步 / 互斥），本身不传递数据，仅用于 “权限控制”。
  1. P 操作：计数器 - 1，若计数器 < 0 则阻塞进程（等待资源）。
  2. V 操作：计数器 + 1，若有进程阻塞则唤醒一个。
  3. 常用于保护共享内存、消息队列等资源的并发访问。
  • 实际应用
  1. 共享资源互斥：多进程读写同一数据库文件时，通过信号量保证 “同一时间只有一个进程写入”。
  2. 生产者 - 消费者模型：如电商库存系统（生产者进程增加库存，消费者进程减少库存，信号量控制库存不为负）。

5.信号（Signal）

  • 原理：操作系统向进程发送的异步事件通知（类似 “软件中断”），可携带极少信息（仅信号编号），用于触发进程预设的处理函数。
  1. 常见信号：SIGINT（Ctrl+C 终止）、SIGKILL（强制杀死进程）、SIGCHLD（子进程退出通知）。
  2. 进程通过signal()或sigaction()注册信号处理函数。
  • 实际应用
  1. 异常处理：进程崩溃时通过SIGSEGV（段错误）捕获并记录日志（如 Linux 的 core dump）。
  2. 进程控制：父进程通过SIGTERM优雅终止子进程（子进程收到后释放资源再退出）。
  3. 典型场景：简单的事件通知（如进程退出、超时提醒），不适合传递复杂数据。

6.套接字（Socket）

  • 原理：基于网络协议栈的通信机制，支持同一主机或跨网络的进程通信，通过 “IP 地址 + 端口” 标识进程，支持 TCP（可靠流）和 UDP（不可靠报）协议。
  1. 本地套接字（Unix Domain Socket）：用于同一主机进程，通过文件系统路径标识（如/var/run/mysocket），性能优于网络套接字。
  2. 网络套接字：用于跨主机通信，如互联网服务。
  • 实际应用
  1. 跨主机通信：所有互联网服务（如浏览器与 Web 服务器通过 TCP 通信，即时通讯工具如微信用 UDP 传输语音）。
  2. 本地高可靠通信：数据库客户端与服务端（如 MySQL 客户端通过本地 Socket 连接服务器，避免网络开销）。
  3. 典型公司：腾讯（微信消息传输）、阿里（分布式服务间调用）、谷歌（跨数据中心通信）。

7.文件映射（Memory-Mapped File）

  • 原理：将磁盘文件映射到进程的虚拟内存，进程读写内存即等效于读写文件，多进程映射同一文件可实现共享数据。
  1. 原理类似共享内存，但数据持久化到磁盘，适合大数据量（GB 级）共享。
  • 实际应用
  1. 大型文件处理：视频编辑软件（如 Final Cut Pro）映射 4K 视频文件到内存，多进程（解码、渲染）直接操作内存数据。
  2. 数据库存储：SQLite 通过文件映射实现高效的磁盘 IO，避免频繁的read()/write()系统调用。

主流 IPC 方式及适用场景

场景主流方式核心技术 / 库典型业务
本地轻量通信命名管道（FIFO）、本地 Socketmkfifo()、socket(AF_UNIX)、Qt 的QLocalSocket日志收集、桌面应用插件通信
高频实时数据交换共享内存 + 信号量System V 共享内存、boost::interprocess金融行情、实时渲染
跨网络 / 跨主机通信网络 Socket（TCP/UDP）BSD Socket、Boost.Asio、Qt 的QTcpSocket互联网服务、分布式系统
异步消息传递消息队列（分布式中间件）RabbitMQ、Kafka（基于 Socket 封装）电商订单、日志异步处理
简单事件通知信号（Signal）sigaction()、Qt 的QProcess::errorOccurred

IPC-C++原生及标准库

  • 管道 / 命名管道：通过pipe()（匿名）、mkfifo()（命名）+ open()/read()/write()系统调用，适合轻量通信。
  • 共享内存：shmget()/shmat()（System V）或mmap()（POSIX），配合sem_init()（信号量）同步，适合高性能场景。
  • Socket：通过 BSD Socket API（socket()/connect()/send()）实现，跨平台需处理 Windows/Linux 差异。
  • 第三方库：Boost.Interprocess（封装共享内存、消息队列）、Boost.Asio（跨平台 Socket 通信），解决原生 API 的跨平台问题。

Qt中IPC封装

IPC 方式Qt 类 / 方法适用场景
父子进程管道通信QProcess主进程启动子进程并传递命令 / 数据（如 IDE 调用编译器）。
本地 Socket 通信QLocalServer/QLocalSocket同一主机非亲缘进程（如桌面应用与后台服务）。
网络 Socket 通信QTcpServer/QTcpSocket、QUdpSocket跨主机通信（如客户端 - 服务器应用）。
共享内存QSharedMemory高频数据共享（如多窗口应用共享大型缓存）。
信号量同步QSemaphore配合共享内存控制并发访问。