IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）技术是操作系统内核提供的一套机制，用于实现不同进程之间的数据交换、资源共享和协同工作，根据通信场景、数据传输方式和同步机制的不同，IPC技术可分为多种具体类型，每种技术都有其适用场景和优缺点，以下从技术原理、实现方式、典型应用等方面详细介绍常见的IPC技术。
管道（Pipe）是最早的IPC形式之一，分为匿名管道和命名管道，匿名管道只能用于具有亲缘关系的进程（如父子进程）间通信，它通过内核缓冲区实现半双工数据传输，数据只能单向流动（单向管道需创建两个），命名管道则突破了亲缘关系的限制，以特殊文件形式存在于文件系统中，允许无亲缘关系的进程通过文件路径访问，管道的特点是简单易用，但容量有限（通常为几KB到几十KB），且不支持随机读写数据，适合简单的流式数据传输,如Shell命令中的操作符就是匿名管道的典型应用。
消息队列（Message Queue）是保存在内核中的消息链表，克服了管道只能承载无格式字节流的缺点，每个消息具有类型和内容，进程可以按类型读取特定消息，实现随机数据访问，消息队列的容量远大于管道（可达GB级别），且支持异步通信，发送方无需等待接收方即可完成消息投递，但消息队列的传输效率受限于数据拷贝次数（用户空间与内核空间间需拷贝两次），且在高并发场景下可能存在性能瓶颈，常用于分布式系统中模块间的异步通信,如日志收集服务。
共享内存（Shared Memory）是最高效的IPC方式，它允许多个进程直接访问同一块物理内存区域，无需通过内核中转数据，进程只需将共享内存映射到自己的虚拟地址空间，即可直接读写数据，避免了数据拷贝的开销，共享内存的传输速度接近内存读写速度，适合大数据量、高频率的数据交换，但需要额外的同步机制（如信号量、互斥锁）来防止多进程同时读写导致的数据冲突，典型应用包括数据库缓存、图像处理中的数据共享等。
信号量（Semaphore）主要用于进程间的同步与互斥，本质是一个计数器，用于控制对共享资源的访问进程数量，信号量分为二值信号量（0/1，类似互斥锁）和计数信号量（允许多个进程同时访问资源），进程通过P操作（等待）和V操作（释放）来调整信号量值，当信号量值为0时，P操作会使进程阻塞，信号量通常与其他IPC技术（如共享内存）配合使用，解决资源竞争问题，例如生产者-消费者模型中通过信号量控制缓冲区的访问权限。
信号（Signal）是Linux/Unix系统中一种异步通信机制，用于接收进程发生的异常事件或用户自定义事件，信号是软件中断，内核会向目标进程发送信号编号，目标进程需预先注册信号处理函数（或使用默认处理方式），信号的特点是传递简单、响应快速，但只能传递少量信息（信号编号），且不支持复杂的数据传输，常用于进程终止（SIGTERM）、异常处理（SIGSEGV）等场景，如kill命令就是通过发送信号控制进程。
套接字（Socket）是最通用的IPC技术，不仅支持同一主机内的进程通信（本地套接字），还支持跨网络的进程间通信（网络套接字），套接字基于TCP/IP协议栈，提供面向连接（TCP）和无连接（UDP）两种通信模式，支持双向全双工数据传输，本地套接字通过文件系统中的文件节点实现，避免了网络协议栈的开销，通信效率接近共享内存；网络套接字则实现了跨主机通信，是分布式系统的核心通信机制，典型应用包括Web服务器（HTTP套接字）、远程服务调用（RPC）等。
其他IPC技术还包括内存映射文件（Memory-Mapped File），它将文件内容映射到进程的虚拟内存空间，实现文件与进程内存的直接交互，适合大文件的共享访问；以及UNIX域套接字（Unix Domain Socket），一种本地套接字的特殊实现，通过域协议（如AF_UNIX）在同一主机内高效通信,性能优于网络套接字。
以下是常见IPC技术的对比：
| 技术类型 | 通信范围 | 数据格式 | 同步机制 | 传输效率 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 管道 | 有亲缘关系进程 | 无格式字节流 | 同步/异步 | 中 | Shell命令、简单数据传输 |
| 消息队列 | 任意进程 | 结构化消息 | 异步 | 中 | 异步通信、模块解耦 |
| 共享内存 | 任意进程 | 内存块 | 需配合同步机制 | 高 | 大数据量、高性能计算 |
| 信号量 | 任意进程 | 计数值 | 同步 | 高 | 资源同步、互斥控制 |
| 信号 | 任意进程 | 信号编号 | 异步 | 高 | 异常处理、事件通知 |
| 套接字 | 本地/网络进程 | 字节流/数据包 | 同步/异步 | 中-高 | 网络通信、分布式系统 |
相关问答FAQs
Q1: 为什么共享内存是最高效的IPC方式，但需要配合信号量使用？
A1: 共享内存将同一块物理内存映射到多个进程的虚拟地址空间，数据直接在用户空间交换，避免了内核中转的数据拷贝，因此效率最高，但由于多个进程可同时访问共享内存，若没有同步机制（如信号量、互斥锁），会导致数据竞争（如写覆盖、读不一致），信号量通过控制进程对资源的访问权限，确保同一时间只有一个进程修改数据,从而保证数据一致性。
Q2: 本地套接字与网络套接字的主要区别是什么？
A2: 本地套接字（Unix Domain Socket）用于同一主机内的进程通信，基于文件系统实现（通过/var/run/等目录下的socket文件），无需网络协议栈处理，传输效率高且延迟低；网络套接字（TCP/UDP Socket）基于IP协议，支持跨主机通信，但需经过协议栈封装（如添加TCP头、IP头），开销较大，本地套接字只能传输字节流，而网络套接字支持TCP（面向连接、可靠传输）和UDP（无连接、不可靠传输）两种模式。
