设计一个生产者-消费者模型实现进程间通信

题目

设计一个生产者-消费者模型实现进程间通信

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

进程间通信机制选择,同步机制实现,资源竞争处理

快速回答

实现生产者-消费者模型的核心要点：

• 通信机制：使用共享内存传递数据，POSIX信号量控制同步
• 同步设计：两个信号量分别表示空槽位(free)和已用槽位(used)
• 缓冲区管理：循环队列实现固定大小的缓冲区
• 进程安全：信号量操作保证原子性，避免竞争条件
• 资源清理：进程退出时释放共享内存和信号量资源

问题背景

生产者-消费者模型是经典的进程同步问题，要求：

• 生产者进程生成数据放入缓冲区
• 消费者进程从缓冲区取出数据
• 当缓冲区满时生产者阻塞
• 当缓冲区空时消费者阻塞
• 避免竞争条件和死锁

解决方案（C语言实现）

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
#include <unistd.h>

#define BUFFER_SIZE 10

typedef struct {
    int data[BUFFER_SIZE];
    int in;  // 生产者写入位置
    int out; // 消费者读取位置
    sem_t *free;   // 空槽位信号量
    sem_t *used;   // 已用槽位信号量
} shm_buffer;

// 生产者进程
void producer() {
    // 创建/打开共享内存
    int fd = shm_open("/prod_cons_shm", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    ftruncate(fd, sizeof(shm_buffer));
    shm_buffer *buf = mmap(NULL, sizeof(shm_buffer), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

    // 初始化信号量
    buf->free = sem_open("/free_sem", O_CREAT, 0666, BUFFER_SIZE);
    buf->used = sem_open("/used_sem", O_CREAT, 0666, 0);
    buf->in = buf->out = 0;

    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        sem_wait(buf->free);  // 等待空槽位

        // 写入数据
        buf->data[buf->in] = i;
        buf->in = (buf->in + 1) % BUFFER_SIZE;

        sem_post(buf->used);  // 增加已用槽位
    }

    // 清理资源
    munmap(buf, sizeof(shm_buffer));
    close(fd);
}

// 消费者进程（类似结构，等待used信号量后读取数据）
// ...

关键原理说明

• 共享内存：最高效的IPC方式，直接内存共享
• POSIX信号量：
  • free_sem：初始值为缓冲区大小，表示可用空位
  • used_sem：初始值为0，表示已存数据量
  • sem_wait()：原子减少信号量（阻塞当值为0）
  • sem_post()：原子增加信号量
• 循环队列：通过取模运算实现缓冲区复用

最佳实践

• 错误处理：检查所有系统调用返回值
• 命名规范：共享内存和信号量使用唯一标识（如/prod_cons_shm）
• 资源释放：
  • 使用shm_unlink()删除共享内存对象
  • 使用sem_close()和sem_unlink()清理信号量
• 选择信号量而非互斥锁：信号量支持跨进程同步

常见错误

• 竞争条件：未使用同步机制直接操作共享数据
• 死锁：错误顺序获取信号量（如先wait used再wait free）
• 资源泄漏：忘记关闭/删除共享内存和信号量
• 缓冲区溢出：未正确处理循环队列边界

扩展知识

• 替代方案对比：

  机制	适用场景	性能
  管道	父子进程简单通信	中
  消息队列	结构化数据传递	中低
  Socket	跨主机通信	低

• 多生产者/消费者：增加互斥信号量保护in/out指针
• 条件变量：结合互斥锁可实现更复杂的同步逻辑