giao_test/shared_memory/shared_memory.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/select.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>

// ====================== 全局配置 ======================
#define MAX_TASK 10          // 共享任务队列最大长度
#define THREAD_POOL_SIZE 4   // 线程池大小
#define SHM_KEY 0x1234       // 共享内存键值
#define SEM_KEY 0x5678       // 信号量键值
#define PIPE_TIMEOUT_SEC 5   // 管道超时时间（秒）

// 任务状态枚举
typedef enum {
    TASK_INIT = 0,  // 初始态
    TASK_RUNNING,   // 执行中
    TASK_DONE       // 完成态
} TaskStatus;

// 共享内存中的任务结构体
typedef struct {
    int task_id;
    char task_content[64];  // 任务内容
    TaskStatus status;      // 任务状态
} Task;

// 共享内存核心结构体（包含任务队列 + 信号量）
typedef struct {
    Task task_queue[MAX_TASK];  // 共享任务队列
    int front;                  // 队列头
    int rear;                   // 队列尾
    int sem_id;                 // 信号量集ID
} SharedMem;

// 线程池参数
typedef struct {
    SharedMem *shm;            // 指向共享内存的指针
    pthread_t tid[THREAD_POOL_SIZE]; // 线程ID数组
    int pool_running;          // 线程池运行标记（1：运行，0：停止）
} ThreadPool;

// ====================== 信号量操作封装 ======================
// 信号量初始化（创建/获取信号量集）
int sem_init(int sem_key) {
    int sem_id = semget(sem_key, 3, IPC_CREAT | 0666);
    if (sem_id == -1) {
        perror("semget failed");
        return -1;
    }

    union semun {
        int val;
        struct semid_ds *buf;
        unsigned short *array;
    } sem_union;

    // 互斥信号量（索引0）：初始值1
    sem_union.val = 1;
    if (semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1) { 
        perror("semctl mutex failed"); 
        return -1; 
    }
    // 空信号量（索引1）：初始值0（队列初始空）
    sem_union.val = 0;
    if (semctl(sem_id, 1, SETVAL, sem_union) == -1) { 
        perror("semctl empty failed"); 
        return -1; 
    }
    // 满信号量（索引2）：初始值MAX_TASK
    sem_union.val = MAX_TASK;
    if (semctl(sem_id, 2, SETVAL, sem_union) == -1) { 
        perror("semctl full failed"); 
        return -1; 
    }

    return sem_id;
}

// 信号量P操作（减1，阻塞）
void sem_p(int sem_id, int sem_idx) {
    struct sembuf sem_buf = {sem_idx, -1, SEM_UNDO};
    if (semop(sem_id, &sem_buf, 1) == -1) {
        perror("sem_p failed");
    }
}

// 信号量V操作（加1，唤醒）
void sem_v(int sem_id, int sem_idx) {
    struct sembuf sem_buf = {sem_idx, 1, SEM_UNDO};
    if (semop(sem_id, &sem_buf, 1) == -1) {
        perror("sem_v failed");
    }
}

// ====================== 共享内存操作封装 ======================
// 创建/挂载共享内存（父进程用）
SharedMem* shm_create() {
    // 1. 创建共享内存
    int shm_id = shmget(SHM_KEY, sizeof(SharedMem), IPC_CREAT | 0666);
    if (shm_id == -1) {
        perror("shmget failed");
        return NULL;
    }
    // 2. 挂载共享内存到进程地址空间
    SharedMem *shm = (SharedMem*)shmat(shm_id, NULL, 0);
    if (shm == (void*)-1) {
        perror("shmat failed");
        return NULL;
    }
    // 3. 初始化共享内存
    memset(shm, 0, sizeof(SharedMem));
    shm->front = 0;
    shm->rear = 0;
    shm->sem_id = sem_init(SEM_KEY); // 初始化信号量
    if (shm->sem_id == -1) {
        shmdt(shm);
        return NULL;
    }
    return shm;
}

// 挂载已存在的共享内存（子进程用）
SharedMem* shm_attach() {
    int shm_id = shmget(SHM_KEY, sizeof(SharedMem), 0666);
    if (shm_id == -1) {
        perror("shmget attach failed");
        return NULL;
    }
    SharedMem *shm = (SharedMem*)shmat(shm_id, NULL, 0);
    if (shm == (void*)-1) {
        perror("shmat attach failed");
        return NULL;
    }
    return shm;
}

// 仅分离共享内存（子进程用，不删除内核资源）
void shm_detach_only(SharedMem *shm) {
    if (shm == NULL) return;
    shmdt(shm); // 仅分离，不删除
}

// 销毁共享内存（父进程用，删除内核资源）
void shm_destroy(SharedMem *shm) {
    if (shm == NULL) return;
    
    // 1. 分离共享内存
    shmdt(shm);
    
    // 2. 删除共享内存（检查资源是否存在）
    int shm_id = shmget(SHM_KEY, sizeof(SharedMem), 0666);
    if (shm_id != -1) {
        shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL);
    }
    
    // 3. 删除信号量（检查资源是否存在）
    if (shm->sem_id != -1) {
        semctl(shm->sem_id, 0, IPC_RMID);
    }
}

// ====================== 线程池核心逻辑 ======================
// 线程处理函数：循环取任务执行，增加防空任务/退出检查
void* thread_worker(void *arg) {
    ThreadPool *pool = (ThreadPool*)arg;
    SharedMem *shm = pool->shm;

    while (pool->pool_running) {
        // 前置检查：线程池已停止则直接退出
        if (!pool->pool_running) break;

        // 1. P操作空信号量（队列空则阻塞）
        sem_p(shm->sem_id, 1);
        // 唤醒后再次检查：线程池已停止则归还信号量并退出
        if (!pool->pool_running) {
            sem_v(shm->sem_id, 1); // 归还空信号量，避免死锁
            break;
        }

        // 2. P操作互斥信号量（保护队列读写）
        sem_p(shm->sem_id, 0);
        // 最后检查：线程池已停止则归还所有信号量并退出
        if (!pool->pool_running) {
            sem_v(shm->sem_id, 0); // 归还互斥信号量
            sem_v(shm->sem_id, 1); // 归还空信号量
            break;
        }

        // 3. 检查任务是否为空（避免读取无效任务）
        Task task = shm->task_queue[shm->front];
        if (task.task_id == 0) {
            sem_v(shm->sem_id, 0); // 归还互斥信号量
            continue;
        }

        // 4. 取出任务，更新队列头
        shm->front = (shm->front + 1) % MAX_TASK;
        printf("[线程%ld] 取出任务%d：%s\n", pthread_self(), task.task_id, task.task_content);

        // 5. V操作互斥信号量
        sem_v(shm->sem_id, 0);
        // 6. V操作满信号量（队列有空位）
        sem_v(shm->sem_id, 2);

        // 7. 执行任务（模拟耗时操作）
        task.status = TASK_RUNNING;
        sleep(1); 
        task.status = TASK_DONE;
        printf("[线程%ld] 完成任务%d，状态：%d\n", pthread_self(), task.task_id, task.status);
    }

    pthread_exit(NULL);
}

// 初始化线程池
int thread_pool_init(ThreadPool *pool, SharedMem *shm) {
    pool->shm = shm;
    pool->pool_running = 1;

    // 创建线程池中的线程
    for (int i = 0; i < THREAD_POOL_SIZE; i++) {
        if (pthread_create(&pool->tid[i], NULL, thread_worker, pool) != 0) {
            perror("pthread_create failed");
            return -1;
        }
    }
    return 0;
}

// 销毁线程池（优雅退出）
void thread_pool_destroy(ThreadPool *pool) {
    if (pool == NULL) return;
    
    // 标记线程池停止
    pool->pool_running = 0;
    
    // 唤醒所有阻塞的线程（避免线程卡死）
    for (int i = 0; i < THREAD_POOL_SIZE; i++) {
        sem_v(pool->shm->sem_id, 1);
    }
    
    // 等待所有线程退出
    for (int i = 0; i < THREAD_POOL_SIZE; i++) {
        pthread_join(pool->tid[i], NULL);
    }
}

// ====================== 任务提交函数 ======================
int task_submit(SharedMem *shm, int task_id, const char *content) {
    // 1. P操作满信号量（队列满则阻塞）
    sem_p(shm->sem_id, 2);
    // 2. P操作互斥信号量
    sem_p(shm->sem_id, 0);

    // 3. 写入任务到队列
    Task task = {0};
    task.task_id = task_id;
    strncpy(task.task_content, content, sizeof(task.task_content)-1);
    task.status = TASK_INIT;
    shm->task_queue[shm->rear] = task;
    shm->rear = (shm->rear + 1) % MAX_TASK;
    printf("[提交进程] 提交任务%d：%s\n", task_id, content);

    // 4. V操作互斥信号量
    sem_v(shm->sem_id, 0);
    // 5. V操作空信号量（唤醒线程池）
    sem_v(shm->sem_id, 1);

    return 0;
}

// ====================== 带超时的管道读函数 ======================
int pipe_read_with_timeout(int fd, char *buf, int len, int timeout_sec) {
    fd_set read_fds;
    struct timeval timeout;

    // 初始化fd集合
    FD_ZERO(&read_fds);
    FD_SET(fd, &read_fds);

    // 设置超时时间
    timeout.tv_sec = timeout_sec;
    timeout.tv_usec = 0;

    // 监听fd是否可读
    int ret = select(fd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
    if (ret < 0) {
        perror("select failed");
        return -1;
    } else if (ret == 0) {
        fprintf(stderr, "[子进程] 管道读超时（%d秒），父进程未发送同步信号\n", timeout_sec);
        return 0;
    } else {
        if (FD_ISSET(fd, &read_fds)) {
            return read(fd, buf, len);
        }
    }
    return -1;
}

// ====================== 主函数（进程分支） ======================
int main() {
    // 创建管道（父子进程同步用）
    int pipe_fd[2];
    if (pipe(pipe_fd) == -1) {
        perror("pipe create failed");
        return -1;
    }

    // 创建子进程
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork failed");
        return -1;
    }

    // 子进程：工作进程（线程池 + 消费任务）
    if (pid == 0) {
        // 关闭管道写端（子进程只读）
        close(pipe_fd[1]);

        char buf[2];
        // 带超时读取父进程的同步信号
        int read_ret = pipe_read_with_timeout(pipe_fd[0], buf, 2, PIPE_TIMEOUT_SEC);
        if (read_ret <= 0) {
            close(pipe_fd[0]);
            return -1;
        }
        printf("[子进程] 收到父进程同步信号：%s\n", buf);

        // 挂载共享内存
        printf("[工作进程] 启动，创建线程池...\n");
        SharedMem *shm = shm_attach();
        if (shm == NULL) {
            close(pipe_fd[0]);
            return -1;
        }

        // 初始化线程池
        ThreadPool pool = {0};
        if (thread_pool_init(&pool, shm) == -1) {
            shm_detach_only(shm);
            close(pipe_fd[0]);
            return -1;
        }

        // 运行10秒后停止线程池
        sleep(10);
        printf("[工作进程] 停止线程池...\n");
        thread_pool_destroy(&pool);
        
        // 子进程仅分离共享内存，不销毁内核资源
        shm_detach_only(shm);
        close(pipe_fd[0]);
        printf("[工作进程] 退出\n");
        return 0;
    }

    // 父进程：任务提交进程
    else {
        // 关闭管道读端（父进程只写）
        close(pipe_fd[0]);

        // 创建共享内存
        printf("[提交进程] 启动，创建共享内存...\n");
        SharedMem *shm = shm_create();
        if (shm == NULL) {
            close(pipe_fd[1]);
            return -1;
        }

        // 发送同步信号（告知子进程共享内存已创建）
        write(pipe_fd[1], "ok", 2);
        printf("[提交进程] 已发送同步信号：ok\n");

        // 提交5个测试任务
        for (int i = 1; i <= 5; i++) {
            char content[64];
            snprintf(content, sizeof(content), "测试任务_%d", i);
            task_submit(shm, i, content);
            sleep(1);
        }

        // 等待子进程退出
        wait(NULL);
        
        // 父进程统一销毁共享内存和信号量
        shm_destroy(shm);
        close(pipe_fd[1]);
        printf("[提交进程] 退出\n");
        return 0;
    }
}