Linux环境编程基础

发布时间:2023年12月31日

静态库和动态库

静态库和动态库

在实际开发中,我们把通用的函数和类分文件编写,称之为库。在其它的程序中,可以使用库中的函数和类。

一般来说,通用的函数和类不提供源代码文件(安全性、商业机密),而是编译成二进制文件。

库的二进制文件有两种:静态库和动态库。

静态库和静态链接

程序编译时会把库文件的二进制代码链接到目标程序中这种方式称为静态链接。

如果多个程序中用到了同一静态库中的函数或类,就会存在多份拷贝。

  1. 静态库的链接是在编译期完成的执行的时候代码载速度快。
  2. 目标程序的可执行文件比较大,浪费空间
  3. 程序的更新发布不方便,如果某一个静态库更新了,所有使用它的程序都需要重新编译。

举个例子

public 实现通用函数和类,在demo01 中调用

1 一起编译

2 先静态库(二进制文件)

使用方式1(不推荐)

使用方式2 (L目录 l库名)

动态库和动态链接

程序编译时不会把库文件的二进制代码链接到目标程序中,而是在运行时才被载入。

如果多个进程中用到了同一动态库中的函数或类那么在内存中只有一份,避免了空间浪费问题。

  1. 程序在运行的过程中,需要用到动态库的时候才把动态库的二进制代码载入内存。
  2. 可以实现进程之间的代码共享因此动态库也称为共享库
  3. 程序升级比较简单,不需要重新编译程序,只需要更新动态库就行了。

制作

使用

动态库 + 源代码 一起编译

规范方法

对比

如果动态库和静态库同时存在,编译器将优先使用动态库

makefile

总体说明

tab键

1 使用 make 增量编译 tools 目录下

2 分别在tool 和 api make 然后一起编译(添加api到环境遍历)

指定头文件路径

app 下 makefile 文件

如何优化?

使用变量

main 函数

如何传入参数

#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc,char *argv[],char *envp[])
{
  if (argc!=4)
  {
    cout << "表白神器程序的使用方法:./demo 追求者姓名 被追求者姓名 表白内容\n";
    return -1;
  }

  cout << argv[1] << "开始向" << argv[2] << "表白。\n";
  cout << argv[3] << endl;
  cout << argv[1] << "表白完成。\n";

  return 0;

  cout << "一共有" << argc << "个参数。\n";

  // 显示全部的参数。
  for (int ii=0;ii<argc;ii++)
  {
    cout << "第" << ii << "个参数:" << argv[ii] << endl;
  }
  // 显示全部的环境变量。
  for (int ii=0;envp[ii]!=0;ii++)  // 环境变量数组最后一个元素是0。
  {
    cout << envp[ii] << endl;
  }

  // 设置环境变量AA。
  setenv("AA","aaaa",0);

  // 显示环境变量AA的值。
  cout << "AA=" << getenv("AA") << endl;

  return 0;
}

gdb 调试

运行到 line 17 停止

到第二个断点停止

手动改 ii 的值

core dump

段错误

运行core文件,显示在第八行挂了

函数调用栈

调试运行程序

找到进程 进行调试

Linux 时间操作

创建进程

一、Linux的0、1和2号进程

整个Linux系统的进程形成了一颗树形结构。以下是一些重要的进程:

  • 0号进程(系统进程): 所有进程的祖先,创建了1号和2号进程。
  • 1号进程(systemd): 负责执行内核的初始化工作和进行系统配置。
  • 2号进程(kthreadd): 负责所有内核线程的调度和管理。

可以使用 pstree -p 进程编号 命令查看进程树。

二、进程标识

每个进程都有一个唯一的非负整数表示的进程ID。重要的系统调用包括:

  • pid_t getpid(void);:获取当前进程的ID。
  • pid_t getppid(void);:获取父进程的ID。
  1. 什么是系统调用?

    系统调用是操作系统提供给用户程序的接口,用于访问操作系统的核心功能和资源。通过系统调用,用户程序可以请求执行特权操作,如文件操作、进程控制、内存管理、网络通信等。它是用户程序与操作系统内核之间的通信方式,允许应用程序利用操作系统提供的服务完成各种任务。

  2. 它会产生什么开销?程序员在编码时是否需要考虑它?

    系统调用会引入一定的开销,因为它涉及从用户空间切换到内核空间,执行特权操作,并最终返回结果。这个过程需要上下文切换、参数传递、权限检查等步骤,因此相比于用户空间的普通函数调用,系统调用通常较为耗时。

    程序员在编码时需要考虑系统调用的开销,尤其是在编写性能关键的应用程序时。以下是一些建议:

    • 减少系统调用次数: 尽量减少不必要的系统调用,可以通过优化算法、缓存数据、合并文件操作等方式来减少系统调用的频率。

    • 批量操作: 将多个操作合并为一个系统调用,而不是多次单独调用。例如,通过一次读取或写入大块数据,而不是多次读取或写入小块数据,以减少系统调用的开销。

    • 异步和事件驱动: 使用异步操作或事件驱动模型,以充分利用系统资源,减少等待系统调用完成的时间。

    • 合理使用缓存: 缓存可以减少对文件或数据的重复读取,从而减少对系统调用的依赖。

三、fork()函数

一个现有的进程可以调用fork()函数创建一个新的进程pid_t fork(void);

fork()创建的新进程被称为子进程。子进是父进程的副本,父进程和子进程都从调用fork()之后的代码开始执行。

fork()函数被调用一次,但返回两次。两次返回的区别是子进程的返回值是0,而父进程的返回值则是子进程的进程ID。所以可以根据返回值的不同,让两个进程执行不同的代码。

子进程获得了父进程数据空间、堆和栈的副本注意:子进程拥有的是副本,不是和父进程共享)。

*多线程中共享数据空间、堆和栈。

*那变量地址为什么相同?

虚拟地址相同,物理地址不同

理论上来说,父进程和子进程的变量地址是相同的,但实际上,这个地址是虚拟地址,而不是物理地址。虚拟地址是由操作系统管理的,它对应着真正的物理地址。

在 fork() 的写时复制机制下,当父进程或子进程尝试修改这个共享的变量时,操作系统会复制相应的数据页,确保父子进程各自有一份独立的数据,从而避免相互干扰。

所以,虽然变量的虚拟地址看起来是相同的,但实际上它们对应的物理地址可能是不同的,因为操作系统在必要时会进行复制,保证了进程间的独立性。这种机制确保了在写入数据时才会发生实际的数据复制,避免了不必要的性能开销。

fork()之后,父进程和子进程的执行顺序是不确定的

在 fork() 之后,父进程和子进程的执行顺序是不确定的,因为操作系统的调度机制决定了哪个进程首先被执行。这是由于父子进程是独立的进程,它们在执行时互相不受影响,操作系统可以在任何时刻切换执行权。

在多线程编程中,同样存在执行顺序不确定的问题。不同于进程的独立地址空间,线程共享同一地址空间,因此它们能够直接访问共享的数据。线程调度由操作系统内核负责,而线程之间的调度是非确定性的。

多线程编程中的线程调度可能受到很多因素的影响,比如操作系统的调度策略、线程的优先级等。因此,多线程程序中,各个线程的执行顺序是不确定的。

在多线程和多进程编程中,如果涉及到共享资源,需要使用同步机制来确保数据的一致性和正确性,比如互斥锁、信号量等。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
  int bh = 8;
  string message = "我是一只傻傻鸟。";

  pid_t pid = fork();

  if (pid > 0)
  {
    // 父进程将执行这段代码。
    sleep(1);
    cout << "父:pid=" << pid << endl;
    cout << "父:亲爱的" << bh << "号:" << message << endl;
  }
  else
  {
    // 子进程将执行这段代码。
    bh = 3; message = "你是一只傻傻鸟。";
    cout << "子:pid=" << pid << endl;
    cout << "子:亲爱的" << bh << "号:" << message << endl;
  }

  return 0;
}

四、fork()的两种用法

1)父子进程执行不同代码: 在网络服务程序中常见,父进程等待客户端连接请求,当请求到达时,父进程调用fork(),让子进程处理请求,而父进程继续等待下一个连接请求。

2)执行另一个程序: 子进程从fork()返回后调用exec。在Shell中常见。

exec函数族提供了一种在进程中调用程序(二进制文件或Shell脚本)的方法。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
  if (fork() > 0)
  {
    // 父进程将执行这段代码。
    while (true)
    {
      sleep(1);
      cout << "父进程运行中...\n";
    }
  }
  else
  {
    // 子进程将执行这段代码。
    sleep(10);
    cout << "子进程开始执行任务...\n";
    execl("/bin/ls", "/bin/ls", "-lt", "/tmp", 0);
    cout << "子进程执行任务结束,退出。\n";
  }

  return 0;
}

五、共享文件

父进程和子进程通过fork()共享打开的文件描述符,包括文件偏移量。如果同时写入同一描述符指向的文件,输出可能相互混合。

示例代码:

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
  ofstream fout;
  fout.open("/tmp/tmp.txt");

  fork();

  for (int ii = 0; ii < 10000000; ii++)
  {
    fout << "进程" << getpid() << "西施" << ii << "极漂亮" << "\n";
  }

  fout.close();

  return 0;
}

六、vfork()函数

vfork()函数用于创建一个新进程,该新进程的目的是执行exec一个新程序。与fork()不同,vfork()不复制父进程的地址空间。子进程会立即调用exec,因此不使用父进程的地址空间。

vfork()保证子进程先运行,在子进程调用execexit()之后,父进程才恢复运行。

僵尸进程

如果父进程比子进程先退出,子进程将被1号进程托管(这也是一种让程序在后台运行的方法)。

如果子进程比父进程先退出而父进程没有处理子进程退出的信息,那么,子进程将成为僵尸进程

僵尸进程有什么危害?内核为每个子进程保留了一个数据结构,包括进程编号、终止状态、使用CPU时间等。父进程如果处理了子进程退出的信息,内核就会释放这个数据结构,父进程如果没有处理子进程退出的信息,内核就不会释放这个数据结构,子进程的进程编号将一直被占用。系统可用的进程编号是有限的,如果产生了大量的僵尸进程,将因为没有可用的进程编号而导致系统不能产生新的进程。

如何避免?

1)子进程退出的时候,内核会向父进程发头SIGCHLD信号,如果父进程signal(SIGCHLD,SIG_IGN)通知内核表示自己对子进程的退出不感兴趣,那么子进程退出会立即释放数据结构。

2父进程通过wait()/waitpid()等函数等待子进程结束,在子进程退出之前,父进程将被阻塞待

情况1

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
  if (fork()>0)
  { // 父进程将执行这段代码。
    while (true)
    {
      sleep(20);
      cout << "父进程运行中...\n";
      return 0;
    }
  }
  else
  { // 子进程将执行这段代码。
    for (int ii = 0; ii < 100; ++ii) {
        cout << "子进程继续运行中。" << endl;
        sleep(1);
    }
    // sleep(10);
    // cout << "子进程开始执行任务...\n";
    // execl("/bin/ls","/bin/ls","-lt","/tmp",0);
    // cout << "子进程执行任务结束,退出。\n";
  }
}

20s后

情况2

获取子进程的退出信息

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using  namespace std;

void func(int sig)   // 子进程退出的信号处理函数。
{
  int sts;
  pid_t pid = wait(&sts);

  cout << "已终止的子进程编号是:" << pid << endl;

  if (WIFEXITED(sts)) { cout << "子进程是正常退出的,退出状态是:" << WEXITSTATUS(sts) << endl; }
  else { cout << "子进程是异常退出的,终止它的信号是:" << WTERMSIG(sts) << endl; }
}

int main()
{
  signal(SIGCHLD,func);  // 捕获子进程退出的信号。

  if (fork() > 0)
  { // 父进程的流程。
    while (true)
    {
      cout << "父进程忙着执行任务。\n";
      sleep(1);
    }
  }
  else
  { // 子进程的流程。
    sleep(5);
    // int *p=0; *p=10;
    exit(0);
  }
}

产生内存泄露的情况

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using  namespace std;

void func(int sig)   // 子进程退出的信号处理函数。
{
  int sts;
  pid_t pid = wait(&sts); // 调用子进程退出的信息

  cout << "已终止的子进程编号是:" << pid << endl;

  if (WIFEXITED(sts)) { cout << "子进程是正常退出的,退出状态是:" << WEXITSTATUS(sts) << endl; }
  else { cout << "子进程是异常退出的,终止它的信号是:" << WTERMSIG(sts) << endl; }
}

int main()
{
  signal(SIGCHLD,func);  // 捕获子进程退出的信号。

  if (fork() > 0)
  { // 父进程的流程。
    while (true)
    {
      cout << "父进程忙着执行任务。\n";
      sleep(1);
    }
  }
  else
  { // 子进程的流程。
    //sleep(5);
    int *p=0; *p=10;
    exit(0);
  }
}

多进程和信号

Linux操作系统提供了killkillall命令向进程发送信号,在程序中,可以用kill()函数向其它进程发送信号。

函数声明:

int kill(pid_t pid, int sig);

kill()函数将参数sig指定的信号给参数pid?指定的进程。

参数pid?有几种情况:

1)pid>0 将信号传给进程号为pid 的进程。

2)pid=0 将信号传给和当前进程相同进程组的所有进程,常用于父进程给子进程发送信号,注意,发送信号者进程也会收到自己发出的信号。

3)pid=-1 将信号广播传送给系统内所有的进程,例如系统关机时,会向所有的登录窗口广播关机信息。

sig:准备发送的信号代码,假如其值为0则没有任何信号送出,但是系统会执行错误检查,通常会利用sig值为零来检验某个进程是否仍在运行。

返回值说明: 成功执行时,返回0;失败返回-1,errno被设置。

在多进程的服务程序中,如果子进程收到退出信号,子进程自行退出,

如果父进程收到退出信号,则应该先向全部的子进程发送退出信号,然后自己再退出。

  1. 在循环中使用 signal(SIGTERM, FathEXIT);signal(SIGINT, FathEXIT); 设置了父进程的信号处理函数。这表示当父进程接收到 SIGTERMSIGINT 信号时,将执行 FathEXIT 函数。
  2. 在父进程和子进程中,使用 signal(SIGTERM, ChldEXIT); 设置了子进程的信号处理函数。这表示当子进程接收到 SIGTERM 信号时,将执行 ChldEXIT 函数。
  3. 在子进程中,使用 signal(SIGINT, SIG_IGN); 忽略了 SIGINT 信号,即子进程不处理 SIGINT 信号。
  4. 通过 kill(0, SIGTERM); 向全部子进程发送 SIGTERM 信号,通知它们退出。
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using  namespace std;

void FathEXIT(int sig);  // 父进程的信号处理函数。
void ChldEXIT(int sig);  // 子进程的信号处理函数。

int main()
{
  // 忽略全部的信号,不希望被打扰。
  for (int ii=1;ii<=64;ii++) signal(ii,SIG_IGN);

  // 设置信号,在shell状态下可用 "kill 进程号" 或 "Ctrl+c" 正常终止些进程
  // 但请不要用 "kill -9 +进程号" 强行终止
  // SIGTERM 15 SIGINT 2
  signal(SIGTERM,FathEXIT); signal(SIGINT,FathEXIT);  

  while (true)
  {
    // 每五秒创建一个子进程
    if (fork()>0) // 父进程的流程。
    {
      sleep(5); continue;
    }
    else          // 子进程的流程。
    {
      // 子进程需要重新设置信号。
      signal(SIGTERM,ChldEXIT);   // 子进程的退出函数与父进程不一样。
      signal(SIGINT ,SIG_IGN);    // 子进程不需要捕获SIGINT信号。

      while (true)
      {
        cout << "子进程" << getpid() << "正在运行中。\n"; sleep(3); continue;
      }
    }
  }
}

// 父进程的信号处理函数。
void FathEXIT(int sig)
{
  // 以下代码是为了防止信号处理函数在执行的过程中再次被信号中断。
  signal(SIGINT,SIG_IGN); signal(SIGTERM,SIG_IGN);

  cout << "父进程退出,sig=" << sig << endl;

  // 向全部的子进程发送15的信号,通知它们退出。
  // 可能会发给自己
  kill(0,SIGTERM);     

  // 在这里增加释放资源的代码(全局的资源)。

  exit(0);
}

// 子进程的信号处理函数。
void ChldEXIT(int sig)
{
  // 以下代码是为了防止信号处理函数在执行的过程中再次被信号中断。
  signal(SIGINT,SIG_IGN); signal(SIGTERM,SIG_IGN);

  cout << "子进程" << getpid() << "退出,sig=" << sig << endl;

  // 在这里增加释放资源的代码(只释放子进程的资源)。

  exit(0);
}

共享内存

常用操作

在 Linux 中,共享内存相关的操作通常通过 System V IPC(Inter-Process Communication,进程间通信)机制实现。以下是一些与共享内存相关的常用命令:

  1. ipcs命令:

    • ipcs -m:显示当前系统上的共享内存信息。
    • ipcs -ma:以更详细的格式显示共享内存信息。
  2. ipcrm命令:

    • ipcrm -m <shmid>:删除指定的共享内存段。

多线程共享进程的地址空间,如果多个线程需要访问同一块内存,用全局变量就可以了。

在多进程中,每个进程的地址空间是独立的,不共享的,如果多个进程需要访问同一块内存,不能用全局变量,只能用共享内存

共享内存(Shared Memory)允许多个进程(不要求进程之间有血缘关系)访问同一块内存空间,是多个进程之间共享和传递数据最高效的方式。进程可以将共享内存连接到它们自己的地址空间中,如果某个进程修改了共享内存中的数据,其它的进程读到的数据也会改变。

共享内存没有提供锁机制,也就是说,在某一个进程对共享内存进行读/写的时候,不会阻止其它进程对它的读/写。如果要对共享内存的读/写加锁,可以使用信号量

Linux中提供了一组函数用于操作共享内存。

shmget函数

该函数用于创建/获取共享内存。

int?shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

key ? 共享内存的键值,是一个整数(typedef unsigned int key_t),一般采用十六进制,例如0x5005,不同共享内存的key不能相同。

size? 共享内存的大小,以字节为单位。

shmflg 共享内存的访问权限,与文件的权限一样,例如0666|IPC_CREAT0666表示全部用户对它可读写,IPC_CREAT表示如果共享内存不存在,就创建它。

返回值:成功返回共享内存的id(一个非负的整数),失败返回-1(系统内存不足、没有权限)

ipcs -m可以查看系统的共享内存,包括:键值(key),共享内存id(shmid),拥有者(owner),权限(perms),大小(bytes)。

shmat函数

该函数用于把共享内存连接到当前进程的地址空间。

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

shmid shmget()函数返回的共享内存标识。

shmaddr? 指定共享内存连接到当前进程中的地址位置,通常填0,表示让系统来选择共享内存的地址。

shmflg 标志位,通常填0。

调用成功时返回共享内存起始地址,失败返回(void*)-1

shmdt函数

该函数用于将共享内存从当前进程中分离,相当于shmat()函数的反操作。

int?shmdt(const void *shmaddr);

shmaddr shmat()函数返回的地址。

调用成功时返回0,失败时返回-1。

shmctl函数

该函数用于操作共享内存,最常用的操作是删除共享内存。

int?shmctl(int shmid, int command, struct shmid_ds *buf);

shmid shmget()函数返回的共享内存id

command 操作共享内存的指令,如果要删除共享内存,填IPC_RMID。

buf 操作共享内存的数据结构的地址,如果要删除共享内存,填0。

调用成功时返回0,失败时返回-1。

注意,用root创建的共享内存,不管创建的权限是什么,普通用户无法删除。

删除

不能用容器!因为栈堆区内存不属于共享内存!

生产消费者模型

循环队列和信号量

生产者程序

// 多进程的生产消费者模型的生产者程序
#include "_public.h"

int main()
{
  struct stgirl  // 循环队列的数据元素是超女结构体。
  {
    int no;
    char name[51];
  };

  using ElemType=stgirl;

  // 初始化共享内存。
  int shmid=shmget(0x5005, sizeof(squeue<ElemType,5>), 0640|IPC_CREAT);
  if ( shmid ==-1 )
  {
    cout << "shmget(0x5005) failed.\n"; return -1;
  }

  // 把共享内存连接到当前进程的地址空间。
  squeue<ElemType,5> *QQ=(squeue<ElemType,5> *)shmat(shmid,0,0);
  if ( QQ==(void *)-1 )
  {
    cout << "shmat() failed\n"; return -1;
  }

  QQ->init();       // 初始化循环队列。

  ElemType ee;      // 创建一个数据元素。

  csemp mutex; mutex.init(0x5001);     // 用于给共享内存加锁。
  csemp cond;  cond.init(0x5002,0,0);  // 信号量的值用于表示队列中数据元素的个数。

  mutex.wait();  // 加锁。
  // 生产3个数据。
  ee.no=3; strcpy(ee.name,"西施"); QQ->push(ee);
  ee.no=7; strcpy(ee.name,"冰冰"); QQ->push(ee);
  ee.no=8; strcpy(ee.name,"幂幂"); QQ->push(ee);
  mutex.post();  // 解锁。
  cond.post(3);  // 实参是3,表示生产了3个数据。

  shmdt(QQ);  // 把共享内存从当前进程中分离。
}

?消费者程序

// 多进程的生产消费者模型的消费者程序
#include "_public.h"

int main()
{
  struct stgirl  // 循环队列的数据元素是超女结构体。
  {
    int no;
    char name[51];
  };

  using ElemType=stgirl;

  // 初始化共享内存。
  int shmid=shmget(0x5005, sizeof(squeue<ElemType,5>), 0640|IPC_CREAT);
  if ( shmid ==-1 )
  {
    cout << "shmget(0x5005) failed.\n"; return -1;
  }

  // 把共享内存连接到当前进程的地址空间。
  squeue<ElemType,5> *QQ=(squeue<ElemType,5> *)shmat(shmid,0,0);
  if ( QQ==(void *)-1 )
  {
    cout << "shmat() failed\n"; return -1;
  }

  QQ->init();       // 初始化循环队列。

  ElemType ee;      // 创建一个数据元素。

  csemp mutex; mutex.init(0x5001);     // 用于给共享内存加锁。
  csemp cond;  cond.init(0x5002,0,0);  // 信号量的值用于表示队列中数据元素的个数。

  while (true)
  {
    mutex.wait();  // 加锁。

    while (QQ->empty())    // 如果队列空,进入循环,否则直接处理数据。必须用循环,不能用if
    {
      mutex.post();   // 解锁。
      cond.wait();    // 等待生产者的唤醒信号。
      mutex.wait();   // 加锁。
    }

    // 数据元素出队。
    ee = QQ->front();  QQ->pop();
    mutex.post(); // 解锁。

    // 处理出队的数据(把数据消费掉)。
    cout << "no=" << ee.no << ",name=" << ee.name << endl;
    usleep(100);    // 假设处理数据需要时间,方便演示。
  }

  shmdt(QQ);
}

循环队列

_public.h

#ifndef __PUBLIC_HH
#define __PUBLIC_HH 1

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
using namespace std;

// 循环队列。
template <class TT, int MaxLength>
class squeue
{
private:
  bool m_inited;              // 队列被初始化标志,true-已初始化;false-未初始化。
  TT   m_data[MaxLength];     // 用数组存储循环队列中的元素。
  int  m_head;                // 队列的头指针。
  int  m_tail;                // 队列的尾指针,指向队尾元素。
  int  m_length;              // 队列的实际长度。    
  squeue(const squeue &) = delete;             // 禁用拷贝构造函数。
  squeue &operator=(const squeue &) = delete;  // 禁用赋值函数。
public:

  squeue() { init(); }  // 构造函数。

  // 循环队列的初始化操作。
  // 注意:如果用于共享内存的队列,不会调用构造函数,必须调用此函数初始化。
  void init()  
  { 
    if (m_inited!=true)      // 循环队列的初始化只能执行一次。
    { 
      m_head=0;              // 头指针。指向第一个元素
      m_tail=MaxLength-1;    // 为了方便写代码,初始化时,尾指针指向队列的最后一个位置。
      m_length=0;            // 队列的实际长度。
      memset(m_data,0,sizeof(m_data));  // 数组元素清零。
      m_inited=true; 
    }
  }

  // 元素入队,返回值:false-失败;true-成功。
  bool push(const TT &ee)
  {
    if (full() == true)
    {
      cout << "循环队列已满,入队失败。\n"; return false;
    }

    // 先移动队尾指针,然后再拷贝数据。
    m_tail=(m_tail+1)%MaxLength;  // 队尾指针后移。
    m_data[m_tail]=ee;
    m_length++;    

    return true;
  }

  // 求循环队列的长度,返回值:>=0-队列中元素的个数。
  int  size()                   
  {
    return m_length;    
  }

  // 判断循环队列是否为空,返回值:true-空,false-非空。
  bool empty()                    
  {
    if (m_length == 0) return true;    

    return false;
  }

  // 判断循环队列是否已满,返回值:true-已满,false-未满。
  bool full()
  {
    if (m_length == MaxLength) return true;    

    return false;
  }

  // 查看队头元素的值,元素不出队。
  TT& front()
  {
    return m_data[m_head];
  }

  // 元素出队,返回值:false-失败;true-成功。
  bool pop()
  {
    if (empty() == true) return false;

    m_head=(m_head+1)%MaxLength;  // 队列头指针后移。
    m_length--;    

    return true;
  }

  // 显示循环队列中全部的元素。
  // 这是一个临时的用于调试的函数,队列中元素的数据类型支持cout输出才可用。
  void printqueue()                    
  {
    for (int ii = 0; ii < size(); ii++)
    {
      cout << "m_data[" << (m_head+ii)%MaxLength << "],value=" \
           << m_data[(m_head+ii)%MaxLength] << endl;
    }
  }
};

// 信号量。
class csemp
{
private:
  union semun  // 用于信号量操作的共同体。
  {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short  *arry;
  };

  int   m_semid;         // 信号量id(描述符)。

  // 如果把sem_flg设置为SEM_UNDO,操作系统将跟踪进程对信号量的修改情况,
  // 在全部修改过信号量的进程(正常或异常)终止后,操作系统将把信号量恢复为初始值。
  // 如果信号量用于互斥锁,设置为SEM_UNDO。
  // 如果信号量用于生产消费者模型,设置为0。
  short m_sem_flg;

  csemp(const csemp &) = delete;             // 禁用拷贝构造函数。
  csemp &operator=(const csemp &) = delete;  // 禁用赋值函数。
public:
  csemp():m_semid(-1){}
  // 如果信号量已存在,获取信号量;如果信号量不存在,则创建它并初始化为value。
  // 如果用于互斥锁,value填1,sem_flg填SEM_UNDO。
  // 如果用于生产消费者模型,value填0,sem_flg填0。
  bool init(key_t key,unsigned short value=1,short sem_flg=SEM_UNDO);
  bool wait(short value=-1);// 信号量的P操作,如果信号量的值是0,将阻塞等待,直到信号量的值大于0。
  bool post(short value=1); // 信号量的V操作。
  int  getvalue();           // 获取信号量的值,成功返回信号量的值,失败返回-1。
  bool destroy();            // 销毁信号量。
 ~csemp();
};

#endif

_public.cpp

#include "_public.h"

// 如果信号量已存在,获取信号量;如果信号量不存在,则创建它并初始化为value。
// 如果用于互斥锁,value填1,sem_flg填SEM_UNDO。
// 如果用于生产消费者模型,value填0,sem_flg填0。
bool csemp::init(key_t key,unsigned short value,short sem_flg)
{
  if (m_semid!=-1) return false; // 如果已经初始化了,不必再次初始化。

  m_sem_flg=sem_flg;

  // 信号量的初始化不能直接用semget(key,1,0666|IPC_CREAT)
  // 因为信号量创建后,初始值是0,如果用于互斥锁,需要把它的初始值设置为1,
  // 而获取信号量则不需要设置初始值,所以,创建信号量和获取信号量的流程不同。

  // 信号量的初始化分三个步骤:
  // 1)获取信号量,如果成功,函数返回。
  // 2)如果失败,则创建信号量。
  // 3) 设置信号量的初始值。

  // 获取信号量。
  if ( (m_semid=semget(key,1,0666)) == -1)
  {
    // 如果信号量不存在,创建它。
    if (errno==ENOENT)
    {
      // 用IPC_EXCL标志确保只有一个进程创建并初始化信号量,其它进程只能获取。
      if ( (m_semid=semget(key,1,0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) == -1)
      {
        if (errno==EEXIST) // 如果错误代码是信号量已存在,则再次获取信号量。
        {
          if ( (m_semid=semget(key,1,0666)) == -1)
          { 
            perror("init 1 semget()"); return false; 
          }
          return true;
        }
        else  // 如果是其它错误,返回失败。
        {
          perror("init 2 semget()"); return false;
        }
      }

      // 信号量创建成功后,还需要把它初始化成value。
      union semun sem_union;
      sem_union.val = value;   // 设置信号量的初始值。
      if (semctl(m_semid,0,SETVAL,sem_union) <  0) 
      { 
        perror("init semctl()"); return false; 
      }
    }
    else
    { perror("init 3 semget()"); return false; }
  }

  return true;
}

// 信号量的P操作(把信号量的值减value),如果信号量的值是0,将阻塞等待,直到信号量的值大于0。
bool csemp::wait(short value)
{
  if (m_semid==-1) return false;

  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;      // 信号量编号,0代表第一个信号量。
  sem_b.sem_op = value;   // P操作的value必须小于0。
  sem_b.sem_flg = m_sem_flg;
  if (semop(m_semid,&sem_b,1) == -1) { perror("p semop()"); return false; }

  return true;
}

// 信号量的V操作(把信号量的值减value)。
bool csemp::post(short value)
{
  if (m_semid==-1) return false;

  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;     // 信号量编号,0代表第一个信号量。
  sem_b.sem_op = value;  // V操作的value必须大于0。
  sem_b.sem_flg = m_sem_flg;
  if (semop(m_semid,&sem_b,1) == -1) { perror("V semop()"); return false; }

  return true;
}

// 获取信号量的值,成功返回信号量的值,失败返回-1。
int csemp::getvalue()
{
  return semctl(m_semid,0,GETVAL);
}

// 销毁信号量。
bool csemp::destroy()
{
  if (m_semid==-1) return false;

  if (semctl(m_semid,0,IPC_RMID) == -1) { perror("destroy semctl()"); return false; }

  return true;
}

csemp::~csemp()
{
}

demo2.cpp

// demo2.cpp,本程序演示基于共享内存的循环队列。
#include "_public.h"

int main()
{
  using ElemType=int;

  // 初始化共享内存。
  int shmid=shmget(0x5005, sizeof(squeue<ElemType,5>), 0640|IPC_CREAT);
  if ( shmid ==-1 )
  {
    cout << "shmget(0x5005) failed.\n"; return -1;
  }

  // 把共享内存连接到当前进程的地址空间。
  // 模板类指针指向共享内存的首地址。不调用构造函数。
  squeue<ElemType,5> *QQ=(squeue<ElemType,5> *)shmat(shmid,0,0);
  if ( QQ==(void *)-1 )
  {
    cout << "shmat() failed\n"; return -1;
  }

  QQ->init();       // 初始化循环队列。

  ElemType ee;      // 创建一个数据元素。

  cout << "元素(1、2、3)入队。\n";
  ee=1;  QQ->push(ee);
  ee=2;  QQ->push(ee);
  ee=3;  QQ->push(ee);

  cout << "队列的长度是" << QQ->size() << endl;
  QQ->printqueue();

  ee=QQ->front(); QQ->pop(); cout << "出队的元素值为" << ee << endl;
  ee=QQ->front(); QQ->pop(); cout << "出队的元素值为" << ee << endl;

  cout << "队列的长度是" << QQ->size() << endl;
  QQ->printqueue();

  cout << "元素(11、12、13、14、15)入队。\n";
  ee=11;  QQ->push(ee);
  ee=12;  QQ->push(ee);
  ee=13;  QQ->push(ee);
  ee=14;  QQ->push(ee);
  ee=15;  QQ->push(ee);

  cout << "队列的长度是" << QQ->size() << endl;
  QQ->printqueue();

  shmdt(QQ);  // 把共享内存从当前进程中分离。
}

第一次运行:共享内存为空

第二次运行

没有锁机制,会存在竞争关系

demo3.cpp 用信号量给共享内存加锁

// demo3.cpp,本程序演示用信号量给共享内存加锁。
#include "_public.h"

struct stgirl     // 超女结构体。
{
  int  no;        // 编号。
  char name[51];  // 姓名,注意,不能用string。
};

int main(int argc,char *argv[])
{
  if (argc!=3) { cout << "Using:./demo no name\n"; return -1; }

  // 第1步:创建/获取共享内存,键值key为0x5005,也可以用其它的值。
  int shmid=shmget(0x5005, sizeof(stgirl), 0640|IPC_CREAT);
  if ( shmid ==-1 )
  { 
    cout << "shmget(0x5005) failed.\n"; return -1; 
  }

  cout << "shmid=" << shmid << endl;

  // 第2步:把共享内存连接到当前进程的地址空间。
  stgirl *ptr=(stgirl *)shmat(shmid,0,0);
  if ( ptr==(void *)-1 )
  { 
    cout << "shmat() failed\n"; return -1; 
  }

  // 创建、初始化二元信号量。
  csemp mutex;
  if (mutex.init(0x5005)==false)
  {
    cout << "mutex.init(0x5005) failed.\n"; return -1;
  }

  cout << "申请加锁...\n";
  mutex.wait(); // 申请加锁。
  cout << "申请加锁成功。\n";

  // 第3步:使用共享内存,对共享内存进行读/写。
  cout << "原值:no=" << ptr->no << ",name=" << ptr->name << endl;  // 显示共享内存中的原值。
  ptr->no=atoi(argv[1]);        // 对超女结构体的no成员赋值。
  strcpy(ptr->name,argv[2]);    // 对超女结构体的name成员赋值。
  cout << "新值:no=" << ptr->no << ",name=" << ptr->name << endl;  // 显示共享内存中的当前值。
  sleep(10);

  mutex.post(); // 解锁。
  cout << "解锁。\n";

  // 查看信号量  :ipcs -s    // 删除信号量  :ipcrm sem 信号量id
  // 查看共享内存:ipcs -m    // 删除共享内存:ipcrm -m  共享内存id

  // 第4步:把共享内存从当前进程中分离。
  shmdt(ptr);

  // 第5步:删除共享内存。
  //if (shmctl(shmid,IPC_RMID,0)==-1)
  //{ 
   // cout << "shmctl failed\n"; return -1; 
  //}
}

文章来源:https://blog.csdn.net/Algo_x/article/details/135258286
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