linux 进程同步实例

Linux进程同步是指在多进程环境中，确保多个进程按照一定的顺序和规则访问共享资源，以避免数据不一致和竞态条件。进程同步是操作系统中的一个重要概念，广泛应用于并发编程和分布式系统中。

基础概念

临界区（Critical Section）：指进程中访问共享资源的代码段。
互斥（Mutual Exclusion）：确保同一时间只有一个进程可以进入临界区。
信号量（Semaphore）：一种计数器，用于控制多个进程对共享资源的访问。
互斥锁（Mutex）：一种特殊的信号量，初始值为1，用于实现互斥访问。
条件变量（Condition Variable）：允许进程等待某个条件成立后再继续执行。

类型

硬件同步：利用CPU提供的原子操作指令（如x86的LOCK前缀指令）。
软件同步：使用操作系统提供的同步机制，如信号量、互斥锁、条件变量等。
分布式同步：在分布式系统中，使用一致性算法（如Paxos、Raft）来实现跨节点的同步。

应用场景

生产者-消费者问题：生产者进程生成数据，消费者进程消费数据，需要同步以避免数据丢失或重复消费。
读者-写者问题：允许多个读者同时访问资源，但写者独占资源，需要同步以避免数据不一致。
哲学家就餐问题：模拟多个哲学家围坐一桌，通过同步机制避免死锁。

实例：生产者-消费者问题

以下是一个使用POSIX信号量和互斥锁解决生产者-消费者问题的简单示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

#define BUFFER_SIZE 10

int buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;

sem_t empty;
sem_t full;
pthread_mutex_t mutex;

void* producer(void* arg) {
    int item;
    while (1) {
        item = produce_item(); // 生产一个项目
        sem_wait(&empty);     // 等待空槽
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 获取互斥锁
        buffer[in] = item;
        in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 释放互斥锁
        sem_post(&full);      // 增加满槽信号量
    }
}

void* consumer(void* arg) {
    int item;
    while (1) {
        sem_wait(&full);      // 等待满槽
        pthread_mutex_lock(&mutex); // 获取互斥锁
        item = buffer[out];
        out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
        pthread_mutex_unlock(&mutex); // 释放互斥锁
        sem_post(&empty);     // 增加空槽信号量
        consume_item(item);   // 消费一个项目
    }
}

int main() {
    pthread_t producer_thread, consumer_thread;

    sem_init(&empty, 0, BUFFER_SIZE);
    sem_init(&full, 0, 0);
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    pthread_create(&producer_thread, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&consumer_thread, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(producer_thread, NULL);
    pthread_join(consumer_thread, NULL);

    sem_destroy(&empty);
    sem_destroy(&full);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);

    return 0;
}