Linux 進程間通信 (IPC) 六大機制深度解析：管道、訊號量、訊號、訊息佇列、共享記憶體、Socket

本文系統剖析 Linux 繼承自 Unix 的六大經典 IPC 機制，涵蓋原理、API、特性、適用場景與選型建議，為系統程式開發者提供決策參考。

一、管道 — 位元流的單向通道

無名管道

• pipe(fd) 建立，fd[0] 讀、fd[1] 寫。
• 半雙工、單向、僅限親緣進程 (fork 繼承 fd)。
• 核心環形緩衝，讀寫遵循 FIFO，原子性保證 PIPE_BUF (通常 4KB/64KB)。

命名管道 (FIFO)

• mkfifo(path, mode) 建立檔案系統節點。
• 打破親緣限制，任意進程可開啟路徑通信。
• 同為半雙工、有容量上限，寫端無讀端時收 SIGPIPE。

二、訊號量 — 同步互斥的原子計數器

• 本質：受保護整數，僅支援 P (wait) / V (signal) 兩個原子操作。
• POSIX: sem_init/sem_wait/sem_post/sem_destroy (執行緒/進程共享)。
• System V: semget/semop/semctl (訊號量集，進程間共享)。
• 常作**鎖**保護共享資源或**資源池**計數 (連線池、緩衝槽位)。

三、訊號 — 非同步事件通知

• 核心向進程投遞預定義事件 (硬體異常、終端鍵盤、定時器、子進程變化、I/O 就緒…)。
• 三種處置：預設動作 (終止/核心傾印/忽略/暫停/繼續)、忽略、捕捉 (sigaction handler)。
• **不可靠**：標準訊號不排隊，多次發送可能合併；實時訊號 (SIGRTMIN+) 支援排隊與 sigval 負載。

四、訊息佇列 — 結構化訊息的鏈表

• 核心維護佇列向量表，每佇列為訊息鏈表，訊息含 long mtype 供優先級/類型過濾。
• System V: msgget/msgsnd/msgrcv/msgctl；POSIX: mq_open/mq_send/mq_receive/mq_notify (支援非同步通知)。
• 解決管道「無格式、緩衝小」與訊號「資訊量少」痛點。

五、共享記憶體 — 零拷貝的極速通道

• 將同一物理頁映射至多進程虛擬位址，**無資料拷貝**，延遲最低。
• System V: shmget/shmat/shmdt/shmctl；POSIX: shm_open/mmap。
• **核心不提供同步**，必須搭配訊號量/互斥鎖/RCU 保護並發存取。
• 適用：大量高頻資料交換 (影像幀、訊號處理、資料庫緩衝池)。

六、Socket — 跨主機通用端點

• 不限本機，支援跨網路 (TCP/UDP/Unix Domain/Netlink…)。
• Unix Domain Socket (AF_UNIX) 本機通信更快 (無協議棧)，支援傳遞檔案描述符 (SCM_RIGHTS)。
• 標準 API: socket/bind/listen/accept/connect/send/recv，配合 epoll/io_uring 實現高並發。

七、選型決策速查表

結語

沒有萬能 IPC，只有適合場景的選擇。現代高效能系統傾向：本機用 Unix Domain Socket + 共享記憶體；跨節點用 TCP Socket + 協議框架；簡單協作用管道/FIFO；複雜同步用 POSIX 訊號量/互斥鎖/條件變數。深入理解各機制邊界與代價，方能架構穩健高效的並發系統。