面试题：C语言Linux匿名管道读写优化之多进程协作与同步

信号量机制优化读写操作

避免数据混乱和进程同步问题的思路：
- 使用信号量来控制对管道的访问。在写进程向管道写数据前，先获取信号量，确保同一时间只有一个写进程能向管道写入数据，避免数据混乱。读进程在从管道读数据前也获取信号量，确保读操作与写操作同步。
关键代码片段：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <fcntl.h>

// 定义信号量操作函数
union semun {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short int *array;
    struct seminfo *__buf;
};

void semaphore_P(int semid) {
    struct sembuf sem_op;
    sem_op.sem_num = 0;
    sem_op.sem_op = -1;
    sem_op.sem_flg = SEM_UNDO;
    semop(semid, &sem_op, 1);
}

void semaphore_V(int semid) {
    struct sembuf sem_op;
    sem_op.sem_num = 0;
    sem_op.sem_op = 1;
    sem_op.sem_flg = SEM_UNDO;
    semop(semid, &sem_op, 1);
}

int main() {
    int pipefd[2];
    if (pipe(pipefd) == -1) {
        perror("pipe");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    key_t key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);
    if (semid == -1) {
        perror("semget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    union semun sem_set;
    sem_set.val = 1;
    if (semctl(semid, 0, SETVAL, sem_set) == -1) {
        perror("semctl");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 创建写进程
    pid_t pid_writer = fork();
    if (pid_writer == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid_writer == 0) {
        close(pipefd[0]);
        semaphore_P(semid);
        write(pipefd[1], "Hello from writer", 16);
        semaphore_V(semid);
        close(pipefd[1]);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }

    // 创建读进程
    pid_t pid_reader = fork();
    if (pid_reader == -1) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid_reader == 0) {
        close(pipefd[1]);
        semaphore_P(semid);
        char buffer[256];
        ssize_t bytes_read = read(pipefd[0], buffer, sizeof(buffer));
        if (bytes_read > 0) {
            buffer[bytes_read] = '\0';
            printf("Read: %s\n", buffer);
        }
        semaphore_V(semid);
        close(pipefd[0]);
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }

    // 父进程等待子进程结束
    wait(NULL);
    wait(NULL);

    // 删除信号量
    if (semctl(semid, 0, IPC_RMID) == -1) {
        perror("semctl IPC_RMID");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    return 0;
}

信号量的初始化、P操作和V操作的作用：
- 初始化：
```
union semun sem_set;
sem_set.val = 1;
if (semctl(semid, 0, SETVAL, sem_set) == -1) {
    perror("semctl");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
```
  - 将信号量初始化为1，表示管道可以被一个进程访问。这是二值信号量，用于实现互斥访问管道。
- P操作：
```
void semaphore_P(int semid) {
    struct sembuf sem_op;
    sem_op.sem_num = 0;
    sem_op.sem_op = -1;
    sem_op.sem_flg = SEM_UNDO;
    semop(semid, &sem_op, 1);
}
```
  - 写进程或读进程在访问管道前调用semaphore_P。sem_op.sem_op = -1表示将信号量的值减1。如果信号量的值为0，进程会阻塞，直到信号量的值变为1（即有其他进程释放了信号量），从而保证同一时间只有一个进程能访问管道。
- V操作：
```
void semaphore_V(int semid) {
    struct sembuf sem_op;
    sem_op.sem_num = 0;
    sem_op.sem_op = 1;
    sem_op.sem_flg = SEM_UNDO;
    semop(semid, &sem_op, 1);
}
```
  - 写进程或读进程在完成对管道的访问后调用semaphore_V。sem_op.sem_op = 1表示将信号量的值加1，允许其他进程获取信号量并访问管道。SEMU_UNDO保证在进程异常终止时，信号量能恢复到初始状态，避免死锁。

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知识考点

面试题答案

信号量机制优化读写操作