23、多进程编程：fork()的使用、进程间通信(IPC)、共享内存、消息队列

多进程编程，说白了就是让程序“分身”。

你写一个程序跑起来，它是一个进程。如果你调用 fork()，它就变成了两个——几乎一模一样，但各自独立。我刚开始学的时候觉得这玩意儿挺魔幻的，一个函数调用完，后面代码居然有两个进程在跑。嗯，今天我们就把它彻底讲透。

23.1 fork()：进程的“分身术”

fork() 是 Unix/Linux 系统里创建子进程的核心函数。调用一次，返回两次。为什么？因为父进程和子进程都会从 fork() 返回的地方继续执行。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid == -1) {
        perror("fork failed");
        return 1;
    }

    if (pid == 0) {
        // 子进程
        printf("我是子进程，PID=%d，父进程PID=%d\n", getpid(), getppid());
    } else {
        // 父进程
        printf("我是父进程，PID=%d，子进程PID=%d\n", getpid(), pid);
    }

    return 0;
}

运行结果大致是：

我是父进程，PID=1234，子进程PID=1235
我是子进程，PID=1235，父进程PID=1234

注意，两个进程的执行顺序是不确定的。谁先跑，看调度器的心情。我在项目中遇到过一个问题：父进程先退出了，子进程变成了“孤儿进程”，被 init 进程收养。这本身不是 bug，但如果你依赖父进程做清理工作，就得小心了。

23.2 进程间通信（IPC）：为什么需要它？

fork() 之后，父子进程各自拥有独立的地址空间。你改一个变量，另一个进程完全看不到。那怎么协作？

Linux 提供了多种 IPC 机制。我按使用频率排个序：

我个人习惯：能不用 IPC 就不用。如果非要通信，优先考虑共享内存 + 信号量。为什么？因为快。但代价是你要自己处理同步，容易出 bug。

23.3 共享内存：最快的 IPC

共享内存让多个进程直接读写同一块物理内存。没有数据拷贝，所以快得离谱。

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define SHM_SIZE 1024

int main() {
    key_t key = ftok("/tmp", 'A');
    int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    char *data = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (data == (char *)-1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    // 写入数据
    strcpy(data, "你好，共享内存！");

    printf("写入完成: %s\n", data);

    shmdt(data);
    return 0;
}

另一个进程可以 attach 同一块共享内存，直接读取。你想想看，这比管道快了多少倍？

23.4 消息队列：有结构的通信

消息队列比共享内存更“高级”一点。它传递的是有类型的消息，内核帮你管理队列。你不用操心同步问题。

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct msgbuf {
    long mtype;       // 消息类型，必须 > 0
    char mtext[100];  // 消息内容
};

int main() {
    key_t key = ftok("/tmp", 'B');
    int msqid = msgget(key, IPC_CREAT | 0666);
    if (msqid == -1) {
        perror("msgget");
        return 1;
    }

    struct msgbuf msg;
    msg.mtype = 1;
    strcpy(msg.mtext, "这是一条消息");

    if (msgsnd(msqid, &msg, sizeof(msg.mtext), 0) == -1) {
        perror("msgsnd");
        return 1;
    }

    printf("消息发送成功\n");
    return 0;
}

接收端用 msgrcv() 按类型取消息。你可以给不同进程分配不同的消息类型，实现多对多通信。

23.5 知识体系总览

下面这张图把多进程编程的核心脉络画出来了。你一看就明白：fork 是起点，IPC 是桥梁，共享内存和消息队列是两种主流方式。

23.6 实战建议

• 能用多线程就别用多进程——除非你需要更强的隔离性。进程挂了不会影响其他进程，线程挂了整个进程可能崩。
• 共享内存一定要加锁。我见过太多人图省事不加锁，结果数据错乱，查 bug 查到怀疑人生。
• 消息队列注意容量。默认限制可能很小，用 ipcs -q 查看，必要时通过 /proc/sys/kernel/msgmax 调整。
• fork() 之后，文件描述符会被继承。如果不小心，父子进程可能同时操作同一个 socket，导致数据混乱。记得在子进程里关闭不需要的 fd。