（转）OS: 生产者消费者问题(多进程+共享内存+信号量)

转：http://blog.csdn.net/yaozhiyi/article/details/7561759

一. 引子

时隔一年再次用到 cout 的时候，哥潸然泪下，这是一种久别重逢的感动，虽然基本忘光了。趁着有大把时间，再把生产者消费者问题巩固一下，用纯C吧。珍惜能写代码的幸福时光。

 

二. 分析

生产者和消费者问题是多个相互合作的进程之间的一种抽象。生产者和消费者之间的关系:

1.  对缓冲区的访问是互斥的。由于两者都会修改缓冲区，因此，一方修改缓冲区时，另一方不能修改，这就是互斥。

2.  一方的行为影响另一方。缓冲区不空，才能消费，何时不空？生产了就不空；缓冲区满，就不能生产，何时不满？消费了就不满。这是同步关系。

为了描述这种关系，一方面，使用共享内存代表缓冲区；另一方面，使用 互斥信号量 控制对缓冲区的访问，使用同步信号量描述两者的依赖关系。

 

三. 共享存储

共享存储是进程间通信的一种手段，通常，使用信号量同步或互斥访问共享存储。共享存储的原理是将进程的地址空间映射到一个共享存储段。在LINUX下，通过使用 shmget 函数创建或者获取共享内存。

1. 创建

1）不指定 KEY

// IPC_PRIVATE指出需要创建内存;

//SHM_SIZE 指出字节大小; 

//SHM_MODE 指出访问权限字如 0600表示，用户可以读写该内存

int shmget(key_t IPC_PRIVATE,size_t SHM_SIZE,int SHM_MODE);

2）指定KEY

//如果SHM_KEY指向的共享存储已经存在，则返回共享存储的ID; 

//否则，创建共享存储并返回其ID

int  shmget(key_t SHM_KEY,size_t SHM_SIZE,int SHM_MODE);

 

2. 访问

方法一

只需要共享存储的 ID 就可以通过  shmat  函数获得共享存储所占用的实际地址。因此，可以在父进程的栈中用变量存放指向共享存储的指针，那么 fork 之后，子进程就可以很方便地通过这个指针访问共享存储了。

方法二

如果进程之间并没有父子关系，但是协商好了共享存储的 KEY , 那么在每个进程中，就可以通过 KEY 以及 shmget 函数获得共享存储的 I D ， 进而通过 shmat 函数获得共享存储的实际地址，最后访问。

 

在我的实现中，我把生产者实现为父进程，消费者实现为子进程，并通过方法一实现进程之间共享内存。

四. 信号量集

信号量有两种原语 P 和 V ，P 锁定资源，V 释放资源。LINUX 下的使用信号量集合的接口特别复杂。我所用到的函数如下：

1. 创建或者获取信号量集合

// IPC_PRIVATE 表示创建信号量集, NUM_OF_SEM表示该集合中有多少信号量; FLAGS复杂不追究

semget(IPC_PRIVATE, NUM_OF_SEM, FLAGS );

// SEM_KEY 是 key_t 类型

//如果 SEM_KEY 代表的信号量集存在，则返回信号量集的ID

//如果不存在，则创建信号量集并返回ID

semget(SEM_KEY, NUM_OF_SEM,FLAGS);

 

2. 初始化信号量

创建的过程并未指定信号量的初始值，需要使用 semctl 函数指定。

semctl(int semSetId , int semIdx , int cmd, union semun su);

 

其中 semSetId 是指信号量集的 ID , semIdx 指信号量集中某个信号量的索引(从零开始), 如果是要设置信号量的值, 填 SETVAL 即可, 为了设置信号量的值，可以指定su.val为索要设置的值。

我在 UBUNTU 下使用 union semun 编译时总报错:

invalid use of undefined type ‘union semun’

 

据说是 Linux 下删除了 semun 的定义。可以通过自定义 semun 解决：

 

五. 代码分解

1. 头文件

2. 信号量

共需要三个信号量:

第一个信号量用于限制生产者必须在缓冲区不满时才能生产，是同步信号量

第二个信号量用于限制消费者必须在缓冲区有产品时才消费，是同步信号量

第三个信号量用于限制生产者和消费者在访问缓冲区时必须互斥，是互斥信号量

 

创建信号量集合，semget

封装对信号量集中的某个信号量的值的+1或者-1操作

3. 使用共享内存

4. 生产过程

5. 消费过程

六. 代码全文