生产者消费者模型是并发编程中的经典案例，本文通过一个具体的C++示例，演示如何在Linux环境下使用System V IPC机制实现跨进程的生产者消费者模型。

一、模型核心组件

本实现采用三种关键IPC机制：

1. 共享内存：存储循环队列数据
2. 信号量：实现进程间同步
3. 循环队列：数据缓冲区

二、关键代码解析

1. 信号量封装类（csemp）

class csemp {
public:
    bool init(key_t key, unsigned short value=1, short sem_flg=SEM_UNDO);
    bool wait(short sem_op=-1); // P操作
    bool post(short sem_op=1);  // V操作
    // ...其他成员函数...
};

• SEM_UNDO标志保证进程异常终止时自动释放信号量
• 采用RAII模式管理信号量生命周期

2. 共享内存初始化

// 获取/创建共享内存
int shmid = shmget(0x5005, sizeof(squeue<ElemType, 5>), 0640|IPC_CREAT);
// 附加到进程地址空间
squeue<ElemType, 5>* QQ = (squeue<ElemType, 5>*)shmat(shmid, 0, 0);

• 使用固定key值0x5005标识共享内存
• 权限设置为0640（用户读写，组读）

3. 生产者核心逻辑

mutex.wait(); // 获取互斥锁
// 数据入队操作
ee.no=3; strcpy(ee.name, "西施"); QQ->push(ee);
// ...其他数据...
mutex.post(); // 释放互斥锁
cond.post(3); // 通知消费者有3个新数据

4. 消费者核心逻辑

while(true) {
    mutex.wait();
    while (QQ->empty()) {
        mutex.post();
        cond.wait();  // 等待数据通知
        mutex.wait();
    }
    // 数据出队处理...
    mutex.post();
}

三、关键同步机制

信号量使用策略

操作时序图

四、扩展知识

1. System V与POSIX信号量对比

2. 共享内存最佳实践

1. 始终使用同步机制保护共享内存访问
2. 初始化时使用双重检查锁模式
3. 为共享内存设置合理的过期时间
4. 使用shmdt()及时断开连接
5. 在程序退出时使用shmctl(IPC_RMID)清理资源

3. 死锁预防策略

• 按照固定顺序获取锁
• 设置超时机制
• 使用SEM_UNDO标志
• 避免嵌套锁
• 定期检查系统信号量状态（ipcs命令）

五、性能优化建议

1. 批量操作优化：适当增大每次生产/消费的数据量
2. 双缓冲区技术：使用交替缓冲区减少锁竞争
3. 无锁队列实现：CAS原子操作替代互斥锁
4. 内存对齐：优化共享内存访问效率
5. 信号量分组：区分读写信号量提升并发性

六、错误处理建议

// 示例：改进的信号量初始化
bool csemp::init(key_t key, unsigned short value, short sem_flg) {
    if((m_semid = semget(key, 1, 0666)) == -1) {
        if(errno != ENOENT) {
            // 记录详细错误日志
            log_error("Semget failed: %s", strerror(errno));
            return false;
        }
        // 创建新信号量...
    }
    // ...其他初始化逻辑...
}

建议添加：

1. 详细的错误日志记录
2. 信号量存在性检测
3. 自动清理僵尸信号量
4. 重试机制（ETIMEDOUT处理）

七、完整代码示例

（此处插入用户提供的完整生产者/消费者代码）

八、运行与测试

编译执行命令：

g++ -o producer producer.cpp -lrt -pthread
g++ -o consumer consumer.cpp -lrt -pthread
./producer & ./consumer &

监控系统资源：

watch -n 1 'ipcs -s && ipcs -m'