Linux和windows进程同步与线程同步那些事儿（五）：Linux下进程同步

Linux和windows进程同步与线程同步那些事儿（一）
Linux和windows进程同步与线程同步那些事儿（二）： windows线程同步详解示例
Linux和windows进程同步与线程同步那些事儿（三）： Linux线程同步详解示例
Linux和windows进程同步与线程同步那些事儿（四）：windows 下进程同步
Linux和windows进程同步与线程同步那些事儿（五）：Linux下进程同步

在Linux中，进程同步可以通过多种机制来实现，其中最常见的包括信号量（semaphore）、共享内存（shared memory）、管道（pipe）、消息队列（message queue）和文件锁（file lock）等。

1. 信号量（`Semaphore`）：

信号量是一种经典的进程同步机制，它可以用于控制对共享资源的访问。
在Linux中，可以使用sem_t类型的信号量来实现进程同步。

在Linux下，可以使用信号量实现多进程之间的同步。信号量是一个计数器，用于多个进程之间共享资源的同步操作。

下面是一个使用信号量进行多处理器同步的C++代码示例：

#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>// 定义信号量的键值
#define KEY 123456// 定义信号量的个数
#define NUM_SEMS 1union semun {int val;struct semid_ds *buf;unsigned short *array;
};int main() {// 创建信号量int semid = semget(KEY, NUM_SEMS, IPC_CREAT | 0666);if (semid == -1) {std::cerr << "Failed to create semaphore" << std::endl;return 1;}// 初始化信号量union semun arg;arg.val = 0;if (semctl(semid, 0, SETVAL, arg) == -1) {std::cerr << "Failed to initialize semaphore" << std::endl;return 1;}// 创建子进程pid_t pid = fork();if (pid == -1) {std::cerr << "Failed to fork process" << std::endl;return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程和父进程通过信号量进行同步操作// P操作，等待信号量计数器大于0struct sembuf sop;sop.sem_num = 0;sop.sem_op = -1;sop.sem_flg = 0;if (semop(semid, &sop, 1) == -1) {std::cerr << "Failed to perform P operation" << std::endl;return 1;}// 输出一段文字std::cout << "Child process output" << std::endl;// V操作，增加信号量计数器sop.sem_op = 1;if (semop(semid, &sop, 1) == -1) {std::cerr << "Failed to perform V operation" << std::endl;return 1;}} else {// 父进程和子进程通过信号量进行同步操作// 输出一段文字std::cout << "Parent process output" << std::endl;// V操作，增加信号量计数器struct sembuf sop;sop.sem_num = 0;sop.sem_op = 1;sop.sem_flg = 0;if (semop(semid, &sop, 1) == -1) {std::cerr << "Failed to perform V operation" << std::endl;return 1;}// P操作，等待信号量计数器大于0sop.sem_op = -1;if (semop(semid, &sop, 1) == -1) {std::cerr << "Failed to perform P operation" << std::endl;return 1;}}// 删除信号量if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1) {std::cerr << "Failed to remove semaphore" << std::endl;return 1;}return 0;
}

在上面的代码示例中，首先使用semget函数创建了一个信号量集，通过指定键值和信号量的个数来创建。然后使用semctl函数初始化了信号量的计数器为0。接着通过fork函数创建了一个子进程。

在子进程中，使用semop函数进行P操作，即等待信号量计数器大于0；然后输出一段文字；再使用semop函数进行V操作，即增加信号量计数器。

在父进程中，首先输出一段文字；然后使用semop函数进行V操作；最后使用semop函数进行P操作。

这样，父进程和子进程通过信号量的P操作和V操作进行同步，保证了子进程的输出一定在父进程的输出之后。

最后，使用semctl函数删除了创建的信号量集。

运行代码示例，可以看到父进程先输出一段文字，然后子进程再输出一段文字，证明了通过信号量实现了多进程的同步。

需要注意的是，上述代码示例只使用了一个信号量来进行同步，如果需要更复杂的同步操作，可以使用多个信号量来实现。此外，需要保证在使用信号量之前先创建信号量，并在使用完毕后删除信号量。

2. 共享内存（`Shared Memory`）：

共享内存允许多个进程访问同一块内存区域，从而实现进程间的数据共享和通信。
在Linux中，可以使用shmget和shmat等系统调用来创建和访问共享内存区域。

代码示例1：

在Linux下，使用共享内存进行多进程间的同步一般会用到信号量（semaphore）来进行进程间的互斥和同步操作。下面是一个使用C进行编写的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
#include <unistd.h>// 定义信号量的操作结构体
union semun {int val;struct semid_ds *buf;unsigned short int *array;struct seminfo *__buf;
};// 定义共享内存的大小
#define SHM_SIZE 1024// 定义信号量操作函数
int sem_op(int semid, int sem_num, int op) {struct sembuf semop = {sem_num, op, SEM_UNDO};return semop(semid, &semop, 1);
}int main() {key_t key;int shmid, semid;char *shm, *s;// 创建key值key = ftok(".", 'S');if (key == -1) {perror("ftok error");exit(1);}// 创建共享内存shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);if (shmid == -1) {perror("shmget error");exit(1);}// 关联共享内存shm = shmat(shmid, NULL, 0);if (shm == (char *)-1) {perror("shmat error");exit(1);}// 创建信号量semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);if (semid == -1) {perror("semget error");exit(1);}// 初始化信号量union semun sem_val;sem_val.val = 1;if (semctl(semid, 0, SETVAL, sem_val) == -1) {perror("semctl error");exit(1);}// 多进程同步pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork error");exit(1);} else if (pid == 0) { // 子进程// P 操作if (sem_op(semid, 0, -1) == -1) {perror("sem_op error");exit(1);}// 操作共享内存s = shm;for (char c = 'a'; c <= 'z'; c++) {*s++ = c;usleep(10000);}// V 操作if (sem_op(semid, 0, 1) == -1) {perror("sem_op error");exit(1);}// 分离共享内存if (shmdt(shm) == -1) {perror("shmdt error");exit(1);}exit(0);} else { // 父进程// P 操作if (sem_op(semid, 0, -1) == -1) {perror("sem_op error");exit(1);}// 读取并输出共享内存s = shm;while (*s != '\0') {putchar(*s++);usleep(10000);}putchar('\n');// V 操作if (sem_op(semid, 0, 1) == -1) {perror("sem_op error");exit(1);}// 删除共享内存if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {perror("shmctl error");exit(1);}// 删除信号量if (semctl(semid, IPC_RMID, 0) == -1) {perror("semctl error");exit(1);}exit(0);}return 0;
}

这段代码通过创建共享内存和信号量来实现多进程间的同步，其中子进程将字母逐个写入共享内存，父进程从共享内存中读取并输出字母。

首先，使用ftok函数创建一个唯一的key值，用于共享内存和信号量的标识。然后，使用shmget函数创建共享内存，指定大小为SHM_SIZE。接着，使用shmat函数关联共享内存并返回一个指向共享内存的指针。再然后，使用semget函数创建一个信号量，并使用semctl函数初始化信号量的值为1。

接下来，使用fork函数创建一个子进程。在子进程中，使用sem_op函数进行P操作（信号量减1），然后通过指针s操作共享内存，将字母逐个写入共享内存。最后，使用sem_op函数进行V操作（信号量加1），然后使用shmdt函数分离共享内存。

在父进程中，使用sem_op函数进行P操作，然后通过指针s从共享内存中读取并输出字母，直到遇到结束符’\0’。然后，使用sem_op函数进行V操作。最后，使用shmctl函数删除共享内存，使用semctl函数删除信号量。

代码示例2：

以下是一个使用共享内存实现多进程同步的示例代码，分为A和B两个程序：

程序A：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/wait.h>#define SHM_KEY 1234
#define SHM_SIZE 256int main() {// 创建共享内存int shmid = shmget(SHM_KEY, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);if (shmid == -1) {perror("shmget");exit(1);}// 连接共享内存char* shared_memory = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);if (shared_memory == (char*)-1) {perror("shmat");exit(1);}// 写入数据到共享内存sprintf(shared_memory, "Hello, World!");// 创建子进程pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");exit(1);} else if (pid == 0) {// 子进程等待一段时间sleep(1);// 父子进程间同步，等待父进程写入数据while (shared_memory[0] == '\0') {sleep(1);}// 读取并打印共享内存中的数据printf("Data in shared memory: %s\n", shared_memory);// 断开连接共享内存if (shmdt(shared_memory) == -1) {perror("shmdt");exit(1);}exit(0);} else {// 等待子进程结束wait(NULL);// 断开连接共享内存if (shmdt(shared_memory) == -1) {perror("shmdt");exit(1);}// 删除共享内存if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {perror("shmctl");exit(1);}}return 0;
}

程序B：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/shm.h>#define SHM_KEY 1234
#define SHM_SIZE 256int main() {// 获取共享内存的IDint shmid = shmget(SHM_KEY, SHM_SIZE, 0666);if (shmid == -1) {perror("shmget");exit(1);}// 连接共享内存char* shared_memory = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);if (shared_memory == (char*)-1) {perror("shmat");exit(1);}// 等待父进程写入数据while (shared_memory[0] == '\0') {sleep(1);}// 读取并打印共享内存中的数据printf("Data in shared memory: %s\n", shared_memory);// 断开连接共享内存if (shmdt(shared_memory) == -1) {perror("shmdt");exit(1);}return 0;
}

以上代码展示了一个简单的多进程同步示例。程序A创建了共享内存并将数据写入其中，然后创建了一个子进程程序B。程序B连接到共享内存，等待程序A写入数据后读取并打印。程序A和程序B通过共享内存进行了数据的同步。

注意代码中的关键步骤：

使用shmget函数创建共享内存，指定一个唯一的键值和大小。
使用shmat函数连接共享内存，获取指向共享内存的指针。
子进程通过轮询等待共享内存中的数据，直到非空。
父进程和子进程完成后，使用shmdt函数断开与共享内存的连接。
父进程使用shmctl函数删除共享内存。

这样，两个进程就能够实现通过共享内存进行数据同步了。

3. 管道（Pipe）：

管道是一种单向的通信机制，可以用于实现具有父子关系的进程间通信。
在Linux中，可以使用pipe系统调用来创建管道。
在Linux下，使用管道进行多进程同步一般会用到父子进程间的通信机制。下面是一个使用C进行编写的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main() {int fd[2];pid_t pid;char buf[100];// 创建管道if (pipe(fd) == -1) {perror("pipe error");exit(1);}// 创建子进程pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork error");exit(1);} else if (pid == 0) { // 子进程close(fd[0]); // 关闭读端// 在子进程中向管道写入数据char *str = "Hello from child process!";write(fd[1], str, strlen(str) + 1);printf("Child process writes to pipe: %s\n", str);close(fd[1]); // 关闭写端exit(0);} else { // 父进程close(fd[1]); // 关闭写端// 在父进程中从管道读取数据read(fd[0], buf, sizeof(buf));printf("Parent process reads from pipe: %s\n", buf);close(fd[0]); // 关闭读端exit(0);}return 0;
}

这段代码通过创建管道来实现父子进程间的数据传输和同步，其中子进程向管道写入数据，父进程从管道读取数据并输出。

首先，使用pipe函数创建一个管道，返回的fd数组包含两个文件描述符，fd[0]用于读取数据，fd[1]用于写入数据。

接下来，使用fork函数创建一个子进程。在子进程中，关闭fd[0]读端，使用write函数向管道写入数据，然后关闭fd[1]写端。

在父进程中，关闭fd[1]写端，使用read函数从管道中读取数据，然后输出到屏幕上。最后，关闭fd[0]读端。

以上就是使用管道进行多进程同步的C代码示例及详细讲解。通过在父子进程间传输数据进行同步，父进程从管道中读取数据时会阻塞，直到子进程写入数据到管道中。这样就实现了简单的多进程同步。

4. 消息队列（Message Queue）：

消息队列允许进程之间通过消息进行通信，可以实现进程间的异步通信。
在Linux中，可以使用msgget、msgsnd和msgrcv等系统调用来创建和操作消息队列。

在Linux下，可以使用消息队列来实现多进程之间的同步。消息队列是一种进程间通信的方式，可以在不同进程之间传递数据。下面是一个示例，展示了如何使用消息队列实现多进程同步。

程序A：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>#define MSG_SIZE 128// 定义消息结构体
struct msg_buffer {long msg_type;char msg_text[MSG_SIZE];
};int main() {key_t key;int msg_id;struct msg_buffer message;// 生成唯一的keykey = ftok("msg_queue_example", 65);// 创建消息队列，如果已经存在则打开msg_id = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT);if (msg_id == -1) {perror("msgget");return -1;}// 接收来自程序B的消息msgrcv(msg_id, &message, MSG_SIZE, 1, 0);printf("Received message: %s\n", message.msg_text);// 向程序B发送消息message.msg_type = 2;sprintf(message.msg_text, "Hello from A");msgsnd(msg_id, &message, sizeof(message), 0);printf("Message sent: %s\n", message.msg_text);// 删除消息队列msgctl(msg_id, IPC_RMID, NULL);return 0;
}

程序B：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>#define MSG_SIZE 128// 定义消息结构体
struct msg_buffer {long msg_type;char msg_text[MSG_SIZE];
};int main() {key_t key;int msg_id;struct msg_buffer message;// 生成唯一的keykey = ftok("msg_queue_example", 65);// 连接到消息队列msg_id = msgget(key, 0666 | IPC_CREAT);if (msg_id == -1) {perror("msgget");return -1;}// 向程序A发送消息message.msg_type = 1;sprintf(message.msg_text, "Hello from B");msgsnd(msg_id, &message, sizeof(message), 0);printf("Message sent: %s\n", message.msg_text);// 接收来自程序A的消息msgrcv(msg_id, &message, MSG_SIZE, 2, 0);printf("Received message: %s\n", message.msg_text);return 0;
}

在程序A中，首先调用ftok函数生成一个唯一的key，用于创建消息队列。然后使用msgget函数创建或打开一个消息队列，如果队列已经存在，则打开；如果队列不存在，则创建一个新的队列。然后使用msgrcv函数接收来自程序B的消息，并打印接收到的消息内容。接下来，向程序B发送一个消息，使用msgsnd函数。最后，使用msgctl函数删除消息队列。

在程序B中，也是首先调用ftok函数生成一个唯一的key，用于连接到消息队列。然后使用msgget函数连接到消息队列。接下来，向程序A发送一个消息，使用msgsnd函数。然后使用msgrcv函数接收来自程序A的消息，并打印接收到的消息内容。

这个示例展示了两个进程之间如何使用消息队列进行通信和同步。程序A和程序B分别使用不同的消息类型作为消息的标志，以便接收和发送不同类型的消息。msgrcv和msgsnd函数用于接收和发送消息。

5. 文件锁（File Lock）：

文件锁可以用于控制对文件的访问，从而实现进程间的同步。
在Linux中，可以使用fcntl系统调用来对文件进行加锁和解锁操作。
在Linux下，可以使用文件锁（fcntl）来实现多进程之间的同步。文件锁可以用于进程间共享的文件，通过对文件进行加锁和解锁，可以实现进程之间的互斥访问。下面是一个示例，展示了如何使用文件锁实现多进程同步。

程序A：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main() {int fd;struct flock lock;// 打开共享文件fd = open("shared_file.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666);if (fd == -1) {perror("open");return -1;}// 加锁lock.l_type = F_WRLCK;   // 写锁lock.l_whence = SEEK_SET;lock.l_start = 0;lock.l_len = 0;          // 锁定整个文件if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == -1) {perror("fcntl");return -1;}printf("A: File locked\n");sleep(5); // 模拟处理时间// 解锁lock.l_type = F_UNLCK;if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {perror("fcntl");return -1;}printf("A: File unlocked\n");return 0;
}

程序B：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>int main() {int fd;struct flock lock;// 打开共享文件fd = open("shared_file.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666);if (fd == -1) {perror("open");return -1;}// 加锁lock.l_type = F_WRLCK;   // 写锁lock.l_whence = SEEK_SET;lock.l_start = 0;lock.l_len = 0;          // 锁定整个文件if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == -1) {perror("fcntl");return -1;}printf("B: File locked\n");sleep(5); // 模拟处理时间// 解锁lock.l_type = F_UNLCK;if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {perror("fcntl");return -1;}printf("B: File unlocked\n");return 0;
}

在程序A中，首先使用open函数打开共享文件，如果文件不存在则创建。然后定义一个struct flock结构体用于加锁和解锁。接下来，设置锁的类型为写锁，通过fcntl函数的F_SETLKW参数来加锁，并指定锁定的范围为整个文件。等待一段时间（这里用sleep(5)模拟处理时间）。最后，设置锁的类型为解锁，通过fcntl函数来解锁。

程序B的逻辑与程序A类似，首先使用open函数打开共享文件，然后设置锁的类型为写锁，通过fcntl函数的F_SETLKW参数来加锁，并指定锁定的范围为整个文件。等待一段时间，最后解锁。

这个示例展示了两个进程之间如何使用文件锁实现同步。进程A和进程B都对共享文件进行加锁，当一个进程已经持有锁时，另一个进程会在fcntl函数上阻塞，直到持有锁的进程释放锁。这样保证了进程A和进程B可以交替地对共享资源进行访问，实现了同步。

拓展讲解：

既然说到了文件锁，有必要在此强调下读锁、写锁和读写锁，对于不同的应用场景，合理选择文件锁，可以优化程序执行效率。
在Linux中，文件锁（fcntl）包括读锁和写锁两种类型，以及读写锁（pthread_rwlock）。

读锁（Shared Lock）：
- 多个进程可以同时持有读锁。
- 读锁是共享的，多个进程可以同时读取文件。
- 当有进程持有写锁时，请求读锁的进程会被阻塞，直到所有写锁都被释放。
写锁（Exclusive Lock）：
- 写锁是独占的，同一时间只能有一个进程持有写锁。
- 写锁保证了独占的访问权限，其他进程无法读取或写入文件。
- 当有进程持有读锁或写锁时，请求写锁的进程会被阻塞，直到所有读锁和写锁都被释放。
读写锁（Read-Write Lock）：
- 读写锁是一种更高级别的文件锁，提供了更细粒度的控制。
- 读写锁允许多个进程同时持有读锁，但只允许一个进程持有写锁。
- 当有进程持有写锁时，请求读锁或写锁的进程都会被阻塞，直到写锁被释放。

下面是一个使用文件锁和读写锁的示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <pthread.h>// 文件锁示例
void fileLockExample() {int fd;struct flock lock;// 打开文件fd = open("shared_file.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666);if (fd == -1) {perror("open");return;}// 加写锁lock.l_type = F_WRLCK;lock.l_whence = SEEK_SET;lock.l_start = 0;lock.l_len = 0;if (fcntl(fd, F_SETLKW, &lock) == -1) {perror("lock");return;}printf("File locked\n");sleep(5); // 模拟处理时间// 解锁lock.l_type = F_UNLCK;if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) == -1) {perror("unlock");return;}printf("File unlocked\n");close(fd);
}// 读写锁示例
pthread_rwlock_t rwlock;void* reader(void* arg) {pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);printf("Reader: Reading shared resource\n");sleep(3); // 模拟读取时间pthread_rwlock_unlock(&rwlock);printf("Reader: Finished reading\n");return NULL;
}void* writer(void* arg) {pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);printf("Writer: Writing to shared resource\n");sleep(3); // 模拟写入时间pthread_rwlock_unlock(&rwlock);printf("Writer: Finished writing\n");return NULL;
}void rwLockExample() {pthread_t readerThread1, readerThread2, writerThread;pthread_rwlock_init(&rwlock, NULL);// 创建读者线程pthread_create(&readerThread1, NULL, reader, NULL);pthread_create(&readerThread2, NULL, reader, NULL);// 创建写者线程pthread_create(&writerThread, NULL, writer, NULL);// 等待线程结束pthread_join(readerThread1, NULL);pthread_join(readerThread2, NULL);pthread_join(writerThread, NULL);pthread_rwlock_destroy(&rwlock);
}int main() {printf("File Lock Example:\n");fileLockExample();printf("\nRead-Write Lock Example:\n");rwLockExample();return 0;
}

在示例中，fileLockExample函数展示了如何使用fcntl函数实现文件锁。首先打开共享文件，在加锁之前设置锁的类型为写锁。然后，通过fcntl函数的F_SETLKW参数来加锁，使用F_UNLCK参数来解锁。

rwLockExample函数展示了如何使用读写锁（pthread_rwlock）实现多线程同步。首先初始化读写锁，然后创建读者线程和写者线程。读者线程使用pthread_rwlock_rdlock函数加读锁，写者线程使用pthread_rwlock_wrlock函数加写锁。最后，使用pthread_rwlock_unlock函数解锁，并销毁读写锁。

文件锁和读写锁总结：