进程间通信的两种方式

进程间通信的两种方式

什么是进程间通信（IPC）？

进程（Process）是程序在操作系统中的运行实例，具有独立的：

• 代码段
• 数据段（内存空间）
• 文件描述符
• IO 资源等

操作系统为安全性默认对进程进行隔离，但在实际开发中，进程之间往往需要协作与数据共享，于是就有了 IPC。

IPC（Inter-Process Communication）就是进程之间交换信息的机制。

为什么需要 IPC？

典型场景包括：

• 并行计算加速：多个进程并发处理子任务，提高效率；
• 模块化架构：将不同功能封装为独立进程（例如浏览器的渲染与主进程）；
• 跨语言/跨平台协作：不同编程语言编写的进程通过通用通信协议交互；
• 分布式系统：不同机器上的进程也要通信（如微服务）；

两种主流 IPC 机制对比

特性	共享内存（Shared Memory）	消息传递（Message Passing）
是否共享地址空间	是	否
通信效率	非常高（几乎等于内存访问）	较低（依赖系统调用）
是否易于使用	不易（需同步机制）	更易（内核帮你处理同步）
是否支持跨主机通信	否	是（如使用 Socket）
是否依赖系统调用	初始需要，后续无需	每次都需（Send/Receive）
示例应用	数据库、游戏引擎、Chrome浏览器等	客户端-服务端、远程调用等

共享内存机制详解（Shared Memory）

共享内存是性能最优的方式，两个或多个进程共享一块内存区域，通过读写该区域交换数据。

进程地址空间隔离图

+--------------------+        +--------------------+
| 进程 A |  | 进程 B |
| ------ ||--------------------|
|  代码段             |        |  代码段             |
|  数据段             |        |  数据段             |
|  堆栈               |        |  堆栈              |
| 共享内存 (映射)     ◄────────►共享内存 (映射)     |
+--------------------+        +--------------------+

示例：生产者 - 消费者模型

// 假设共享内存中是 int buf[100];
生产者写入数据：[10, 20, 30, ...]
消费者读取数据：[10, 20, 30, ...]

但如果：

• 生产者写入 int32
• 消费者错误读取为 uint8

结果会完全错乱！

注意事项

• 进程需对数据格式达成一致；
• 需自己实现同步机制（如信号量、互斥锁）；
• 避免“同时写入”或“读写冲突” → 否则可能产生竞态条件（Race Condition）。

优势

• 快！极快！通信速度几乎等于内存访问；
• 适合高频数据交换、大量数据流传输场景。

消息传递机制详解（Message Passing）

不使用共享内存，而是操作系统提供一种“邮箱”机制，进程通过系统调用 send() / receive() 来传递消息。

通信过程简图

+--------------------+     send(msg)    +--------------------+
|   进程 A            | ────────────▶ |     内核 Mailbox   |
+--------------------+                  |   (队列结构)        |
                                        |                    |
+--------------------+   receive()      +--------------------+
|   进程 B            | ◀───────────────  从内核拷贝消息
+--------------------+

示例：客户端 - 服务端 通信

客户端：send(request)
服务器：receive(request) → 处理 → send(response)
客户端：receive(response)

这种模型与网络 Socket 通信几乎一致。

衍生机制

• 管道（pipe）
• 消息队列（message queue）
• Socket（支持跨主机）
• RPC（远程过程调用）

Socket 通信原理示意（双向）

机器 A（Client）                         机器 B（Server）
+-------------------+                   +-------------------+
|  客户端进程        |                    |  服务器进程        |
|  发送请求          |                    |  接收请求         |
|  recv(response) ◄──── Socket 通道 ────►  send(response) |
+-------------------+                   +-------------------+
       |                                      |
   localhost 127.0.0.1 或远程 IP           监听端口如 80、8080

什么时候选哪种 IPC？

场景	推荐方式	理由
高速数据传输	共享内存	极致性能
跨主机通信	消息传递（Socket）	网络支持
简单应用	消息传递	编程简单、低出错
大规模数据处理	共享内存	传输开销极低
多语言服务交互	消息传递（gRPC）	跨语言支持好