设计一个生产者-消费者模型，使用共享内存和信号量进行进程间通信

题目

设计一个生产者-消费者模型，使用共享内存和信号量进行进程间通信

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐

考点

共享内存,信号量,进程同步,资源管理

快速回答

实现要点：

• 使用shmget()/mmap()创建共享内存存储循环缓冲区
• 定义三个信号量：
  • mutex：二进制信号量保证缓冲区操作原子性
  • empty：计数信号量跟踪空槽位
  • full：计数信号量跟踪已用槽位
• 生产者流程：
  1. 等待empty信号量
  2. 获取mutex
  3. 写入数据到缓冲区
  4. 释放mutex
  5. 增加full信号量
• 消费者流程：
  1. 等待full信号量
  2. 获取mutex
  3. 读取缓冲区数据
  4. 释放mutex
  5. 增加empty信号量

原理说明

生产者-消费者模型是经典的进程同步问题，需解决：

1. 资源共享：通过共享内存实现高效数据交换
2. 同步机制：信号量保证操作顺序：
   • mutex：确保同一时刻只有一个进程访问缓冲区（互斥锁）
   • empty：初始值为缓冲区大小N，生产者等待
   • full：初始值为0，消费者等待
3. 缓冲区设计：循环队列结构（FIFO）

代码示例（C语言）

#include <sys/shm.h>
#include <semaphore.h>

// 共享内存结构定义
typedef struct {
    int buffer[10];
    int in, out;
} shm_struct;

// 主流程伪代码
int main() {
    // 1. 创建共享内存
    int shm_id = shmget(IPC_PRIVATE, sizeof(shm_struct), 0666);
    shm_struct *shm_ptr = shmat(shm_id, NULL, 0);

    // 2. 初始化信号量
    sem_t *mutex = sem_open("/mutex_sem", O_CREAT, 0666, 1);
    sem_t *empty = sem_open("/empty_sem", O_CREAT, 0666, 10); // 缓冲区大小10
    sem_t *full = sem_open("/full_sem", O_CREAT, 0666, 0);

    // 3. 生产者进程
    if (fork() == 0) {
        int item;
        while (1) {
            item = produce_item();  // 生产数据
            sem_wait(empty);        // 等待空槽位
            sem_wait(mutex);        // 进入临界区

            shm_ptr->buffer[shm_ptr->in] = item;
            shm_ptr->in = (shm_ptr->in + 1) % 10;

            sem_post(mutex);        // 离开临界区
            sem_post(full);         // 增加已用槽位
        }
    }

    // 4. 消费者进程
    if (fork() == 0) {
        int item;
        while (1) {
            sem_wait(full);         // 等待数据
            sem_wait(mutex);        // 进入临界区

            item = shm_ptr->buffer[shm_ptr->out];
            shm_ptr->out = (shm_ptr->out + 1) % 10;

            sem_post(mutex);        // 离开临界区
            sem_post(empty);        // 增加空槽位
            consume_item(item);     // 消费数据
        }
    }
}

最佳实践

• 信号量初始化：确保empty初始值=缓冲区大小，full初始值=0
• 错误处理：检查所有系统调用返回值（如sem_wait可能被信号中断）
• 资源清理：进程退出时：
  1. 调用sem_unlink()删除命名信号量
  2. 用shmctl(shm_id, IPC_RMID, 0)释放共享内存
• 性能优化：使用POSIX无名信号量（sem_init）避免文件系统操作

常见错误

• 死锁风险：
  • 错误顺序获取信号量（如先wait(mutex)再wait(empty)）
  • 忘记释放信号量
• 竞态条件：未用mutex保护in/out指针更新
• 内存泄漏：未正确释放共享内存和信号量
• 缓冲区溢出：循环队列索引计算错误（必须取模）

扩展知识

• 信号量vs互斥锁：信号量可计数，互斥锁本质是二进制信号量
• 替代方案：
  • 管道/FIFO：适用于流式数据但速度较慢
  • 消息队列：结构化数据但需要拷贝开销
• 多生产者优化：使用原子操作（如CAS）更新索引减少锁竞争
• 现代IPC：Linux eventfd 或 kqueue 实现更高性能同步