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 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 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
#include
#include
#include
#include
#define SHM_KEY 1234
#define SHM_SIZE 256
int 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
#include
#include
#include
#define SHM_KEY 1234
#define SHM_SIZE 256
int main() {
// 获取共享内存的ID
int 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 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 程序B：
#include 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 程序B：
#include 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 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：
- 文件锁提供了对共享文件的互斥访问，读锁和写锁之间的关系是互斥的。
- 读写锁提供了更高级别的文件访问控制，允许多个进程同时读取文件，但只允许一个进程写入文件。
几种进程间同步方式的优缺点比较
linux进程间同步可以使用信号量、共享内存、管道、消息队列和文件锁等机制。下面是它们的使用场景及优缺点的比较：
1. 信号量：
- 使用场景：适用于进程间的互斥和同步操作，如控制临界区访问、资源的分配和释放等。
- 优点：简单易用，适用于进程间的基本同步和互斥操作。
- 缺点：需要手动编写代码来保证进程对信号量的正确使用，容易出错。不适用于跨网络的进程通信。
2. 共享内存：
- 使用场景：适用于大量数据共享和频繁的数据交换，如图像、音频或视频数据的处理。
- 优点：高效，进程可以直接访问共享内存区域，无需数据的拷贝。
- 缺点：需要进行进程间的同步，以避免竞态条件和数据一致性问题。对内存管理要求较高，可能会导致内存泄漏或悬挂进程。
3. 管道：
- 使用场景：适用于父子进程间的通信，管道只能在具有父子关系的进程之间使用。
- 优点：简单易用，无需手动同步，通过文件描述符进行进程间通信。
- 缺点：仅适用于具有父子关系的进程，只能实现单向通信。
4. 消息队列：
- 使用场景：适用于不同进程间的异步通信，如进程间的命令、事件、消息传递等。
- 优点：可以实现多对多的通信，不需要进程具有父子关系。具有高度的灵活性和可扩展性。
- 缺点：数据的大小受限，对于大量数据的传输可能不太高效。
5. 文件锁：
- 使用场景：适用于对文件进行互斥访问的场景，如进程间共享的文件或资源。
- 优点：简单易用，可以保证共享文件的互斥访问。
- 缺点：对文件操作需要显式加锁和解锁，繁琐且容易出错。不适用于跨网络的进程通信。
综上所述，不同的机制适用于不同的场景。选择适当的进程间同步机制取决于具体的需求和限制。信号量和共享内存适用于高性能数据共享和同步，管道适用于具有父子关系的进程通信，消息队列适用于异步通信，文件锁适用于文件的互斥访问。