使用共享内存和信号量：生产者和消费者问题

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共享内存和信号量都是 Linux 下 IPC（Inter-Process Communication）的重要手段，尤其是共享内存，是最快的 IPC 方式也是最常用的方式之一。共享内存的基本思想是：同一块物理内存被映射到多个进程各自的虚拟内存空间，一个进程对共享内存数据的更新对其他进程是立即可见的，所以需要使用信号量（或者其他同步原语）来同步多个进程对共享内存的访问。图 1 显示了共享内存在进程虚拟地址空间中的位置：

图 1：共享内存

下面使用共享内存和信号量解决生产者和消费者问题，代码比较简单，相关 API 的使用方法可以参照 Linux Manual 或者 《Linux系统编程手册》这本书。

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

int main()
{
    const int SIZE = 10;
    int length = SIZE * sizeof(int);

    int *buffer = NULL;
    int head = 0, tail = 0;

    sem_t *empty = sem_open("/empty", O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR, SIZE);
    sem_t *full = sem_open("/full", O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR, 0);
    sem_t *mutex = sem_open("/mutex", O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR, 1);

    int fd;
    if ((fd = shm_open("/shm", O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR)) == -1) {
        printf("shm_open failed!\n");
        exit(1);
    }

    if (ftruncate(fd, length) == -1) {
        printf("ftruncate failed!\n");
        exit(1);
    }

    void *ptr = NULL;
    if ((ptr = mmap(NULL, length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)) == MAP_FAILED) {
        printf("mmap failed!\n");
        exit(1);
    }
    buffer = (int *)ptr;

    if (fork()) {
        for (int i = 0; i < SIZE; ++i) {
            sem_wait(empty);
            sem_wait(mutex);

            sleep(1);
            buffer[tail++] = i;
            printf("producer: %d\n", i);
            fflush(stdout);

            sem_post(mutex);
            sem_post(full);
    	}
    } else {
        for (int i = 0; i < SIZE; ++i) {
            sem_wait(full);
            sem_wait(mutex);

            sleep(1);
            printf("consumer: %d\n", buffer[head++]);
            fflush(stdout);

            sem_post(mutex);
            sem_post(empty);
        }
        exit(0);
    }

    wait(NULL);

    sem_unlink("/empty");
    sem_unlink("/full");
    sem_unlink("/mutex");
    shm_unlink("/shm");

    exit(0);
}
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