System V 信号量与共享内存技术解析

一、System V 信号量

System V 信号量与共享内存是 Linux 系统中用于进程间通信（IPC）的重要机制。以下是关于信号量创建部分的详细解析：

1. semctl - 信号量的创建

声明：

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

参数详解：

1. key：
   信号量集的键值，通常通过 ftok 函数生成，用于唯一标识信号量集。可以使用 IPC_PRIVATE 来创建一个新的、唯一的信号量集。
2. nsems：
   信号量集中信号量的数量。如果只是访问已存在的信号量集，可以将其设为 0。
3. semflg：
   标志位，用于指定信号量集的创建和访问权限。常用的标志包括：
   • IPC_CREAT：如果信号量集不存在，则创建它。
   • IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用，如果信号量集已存在，则返回错误。
   • 权限模式：如 0666，表示所有用户可读写。

返回值：
• 成功返回信号量集的标识符，失败返回 -1。

2. semctl - 控制信号量集（通常用于初始化或查看信号量集合状态）

声明：

int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg */);

参数详解：

1. semid：
   信号量集的标识符，由 semget 返回。需确保进程对该信号量集有操作权限（如 IPC_RMID 需要所有者或超级用户权限）。
2. semnum：
   信号量在集合中的索引（从 0 开始）。仅对单信号量操作命令（如 SETVAL、GETVAL）有效；若 cmd 作用于整个集合（如 IPC_RMID），此参数可设为 0。

3. cmd：
   控制命令，决定操作类型及 arg 参数用途：
   • IPC_STAT：获取信号量集状态信息，arg 需指向 struct semid_ds 结构体。该结构包含内核维护的元数据：

   struct semid_ds {
       struct ipc_perm sem_perm;  // 权限与所有者信息
       time_t sem_otime;         // 最后一次 semop() 成功的时间（初始为0）
       time_t sem_ctime;         // 信号量集创建/修改时间
       struct sem *sem_base;     // 指向信号量数组
       unsigned short sem_nsems; // 信号量数量
   };

   关键字段：
   ◦ sem_otime：首次创建时初始化为0，仅通过成功执行的 semop() 更新为非零值
   ◦ sem_ctime：记录信号量集的创建或配置修改时间
   • IPC_SET：修改信号量集权限，需 struct semid_ds 指针更新 sem_perm 字段
   • IPC_RMID：立即删除信号量集
   • SETVAL/GETVAL：设置或获取单个信号量的值

4. arg（共用体 union semun）：
   需用户自定义的联合体，根据 cmd 选择成员：

   union semun {
       int val;                // SETVAL/GETVAL 的值
       struct semid_ds *buf;   // IPC_STAT/IPC_SET 的状态缓冲区
       unsigned short *array;  // GETALL/SETALL 的数组指针
   };

多进程竞争防护策略：
在信号量集创建与初始化过程中，需防范以下竞争场景：
进程A调用 semget 创建信号量后未完成初始化，进程B获取同一信号量并修改值，随后被进程A的初始化覆盖

解决方案：利用sem_otime 同步机制只让一个进程创建并初始化信号量集合
• 创建者进程：初始化后执行一次空操作（sem_op=0）的 semop()，强制更新 sem_otime 为非零值
• 其他进程：循环检查 sem_otime 是否为0，若为0则等待至其变为非零：

struct semid_ds ds;
union semun arg = {.buf = &ds};
do {
    semctl(semid, 0, IPC_STAT, arg);
    if (ds.sem_otime != 0) break;  // 确认初始化完成
    usleep(1000);  // 避免忙等待
} while (1);

3. semop - 执行原子操作（PV 操作）

声明：

int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);

参数：
• semid：信号量标识符。
• sops：指向 sembuf 结构数组的指针，每个结构定义一次操作：

struct sembuf {
    unsigned short sem_num;  // 信号量索引
    short sem_op;            // 操作值（负数：P 操作；正数：V 操作）
    short sem_flg;           // 标志（如 `IPC_NOWAIT` 非阻塞，`SEM_UNDO` 防死锁）
};

• nsops：操作数组的长度。

返回值：
• 成功返回 0，失败返回 -1。

二、System V 共享内存

共享内存允许多进程直接读写同一物理内存区域，无需内核介入，是最高效的 IPC 方式。核心系统调用如下：

1. shmget - 创建/获取共享内存段

声明：

#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数：
• key：共享内存标识键，规则同信号量。
• size：共享内存大小（单位：字节），实际分配按页对齐。
• shmflg：标志位，如 IPC_CREAT、IPC_EXCL 及权限模式。

返回值：
• 成功返回共享内存标识符，失败返回 -1。

生命周期管理：
共享内存段的生命周期由内核维护，即使所有进程解除映射，仍需显式调用 shmctl 的 IPC_RMID 命令删除。

2. shmat - 映射共享内存到进程地址空间

声明：

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

参数：
• shmid：共享内存标识符。
• shmaddr：建议映射地址（通常设为 NULL，由系统自动分配）。
• shmflg：标志位，如 SHM_RDONLY（只读映射）。

返回值：
• 成功返回映射后的虚拟地址指针，失败返回 (void*) -1。

注意点:
• 共享内存在每个使用它的进程的附加位置(可以理解为挂载点)不同，因此若共享内存中存储了指针，若希望存储（也只能指向）共享内存的另一处位置，该指针不能存储绝对地址，而是只能存储到目标位置的偏移量。

3. shmdt - 解除映射

声明：

int shmdt(const void *shmaddr);

参数：
• shmaddr：shmat 返回的地址指针。

返回值：
• 成功返回 0，失败返回 -1。

4. shmctl - 控制共享内存段

声明：

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

参数：
• shmid：共享内存标识符。
• cmd：控制命令：
• IPC_STAT：获取状态信息到 buf。
• IPC_SET：修改权限或所有者。
• IPC_RMID：标记删除（当所有进程解除映射后实际释放）。
• buf：指向 shmid_ds 结构体的指针，用于存储或修改状态。

返回值：
• 成功返回 0，失败返回 -1。

三、关键注意事项与优化策略

1. 同步机制选择：
   • 信号量类型：二元信号量（互斥锁）适用于独占资源访问；多元信号量（如连接池）可控制资源数量。
   • 性能排序：互斥锁 > POSIX 信号量 > System V 信号量 > 文件锁。
2. 资源泄漏防护：
   • 显式调用 semctl/shmctl 删除 IPC 对象，避免因进程崩溃导致资源残留。
   • 使用 ipcs 和 ipcrm 命令检查与清理未释放的资源。
3. 错误处理与调试：
   • 所有系统调用需检查返回值，捕获 EACCES（权限不足）、EINVAL（无效参数）等错误。
   • 通过 semctl 的 GETNCNT/GETZCNT 监控信号量等待队列，优化锁粒度。

四、总结

通过合理组合 System V 信号量与共享内存，可实现高效且安全的进程间协作。信号量的原子操作与共享内存的直接内存访问特性，使其在数据库连接池、实时数据处理等高并发场景中表现卓越。开发者需重点关注多进程初始化的竞争防护、资源生命周期管理及错误处理机制，以确保系统稳定性和性能。

本项目基于SYSTEM V消息队列、POSIX线程、ncurses库进行实现，能够创建多个聊天室，用户加入聊天室即可与同一聊天室的其他所有用户下聊天。类似于wx与qq的群聊功能。
使用图：
流程图：
开发日志：
教训（花了我近乎两个小时）：
共享库命名一定要规范：.so.x.y.z
不然ld链接器找不到
AI的能力不足以找到错误。

2025 3.15 又一个教训
客户端，服务器头文件不统一。服务器改了头文件的部分内容，客户端没有及时修改
花了我又快两个小时。
解决方法：今后项目根目录新建include文件夹存放头文件

开发的时候，在关键的步骤一定要用printf打印状态/要干什么事/干完了什么事
不可自负，相信能一遍做完大项目
若在开发前期写好输出到日志文件的函数，将会事半功倍，不用在大功告成时注释掉或删除掉密密麻麻的printf了
但这样的坏处就是不能边运行边看。

2025 3.16 最后两个教训
收包输出但是得到乱码不是因为别的，就是发的缓冲区与收的缓冲区大小没设置好，以为发送端会发那么多没想到那个发送大小宏定义竟然是0，最后导致内存访问出界了

本来想搞一个无限循环了的，手贱在一个if语句的最后加了一个break，还在想服务器服务线程怎么莫名其妙不吭声了，操原来是break了。
还在想有什么逻辑错误，没想到是这种小错误。

深入理解pthread互斥量与条件变量的使用

在多线程编程中，线程同步是一个关键问题。为了避免多个线程同时访问共享资源导致的数据竞争和不一致，POSIX线程库（pthread）提供了互斥量（Mutex）和条件变量（Condition Variable）两种重要的同步机制。本文将详细介绍它们的使用方法，并通过代码示例帮助读者更好地理解。

1. 互斥量（Mutex）

互斥量是一种简单的同步机制，用于保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问该资源。互斥量的基本操作包括初始化、加锁、解锁和销毁。

1.1 互斥量的初始化

互斥量可以通过静态或动态方式初始化。静态初始化使用宏PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER，而动态初始化使用pthread_mutex_init函数。

// 静态初始化
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

// 动态初始化
pthread_mutex_t mutex;
pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

1.2 互斥量的加锁与解锁

线程在访问共享资源前需要加锁，访问完成后解锁。如果互斥量已被其他线程锁定，当前线程会被阻塞，直到互斥量被解锁。

pthread_mutex_lock(&mutex);
// 访问共享资源
pthread_mutex_unlock(&mutex);

1.3 互斥量的销毁

当互斥量不再需要时，应调用pthread_mutex_destroy函数销毁它，以释放系统资源。

pthread_mutex_destroy(&mutex);

2. 条件变量（Condition Variable）

条件变量用于生产者-消费者模型中，防止消费者拿到互斥量后的忙等待。它允许线程在某个条件未满足时进入等待状态并释放互斥锁，并在条件满足时被唤醒并请求互斥锁。条件变量通常与互斥量一起使用。

2.1 条件变量的初始化

条件变量也可以通过静态或动态方式初始化。

// 静态初始化
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

// 动态初始化
pthread_cond_t cond;
pthread_cond_init(&cond, NULL);

2.2 条件变量的等待与通知

线程在等待条件变量时，会释放持有的互斥量，并在条件满足时重新获得互斥量。其他线程可以通过pthread_cond_signal或pthread_cond_broadcast唤醒等待的线程。

// 等待条件变量
pthread_mutex_lock(&mutex);
while (condition == false) { //一定要将循环检查共享资源，防止被唤醒后共享资源被没有被生产者生产
    pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
}
pthread_mutex_unlock(&mutex);

// 通知条件变量
pthread_mutex_lock(&mutex);
condition = true;
pthread_cond_signal(&cond);
pthread_mutex_unlock(&mutex);

2.3 条件变量的销毁

当条件变量不再需要时，应调用pthread_cond_destroy函数销毁它。

pthread_cond_destroy(&cond);

3. 示例代码

以下是一个使用互斥量和条件变量的简单示例，展示了如何实现线程间的同步。

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

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
int ready = 0;

void *thread_function(void *arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    while (ready == 0) {
        pthread_cond_wait(&cond, &mutex);
    }
    printf("Thread condition met, proceeding\n");
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);

    pthread_mutex_lock(&mutex);
    printf("Main thread signaling condition variable\n");
    ready = 1;
    pthread_cond_signal(&cond);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    pthread_join(thread_id, NULL);
    return 0;
}

在这个示例中，主线程通过条件变量唤醒等待的线程，确保线程在条件满足时继续执行。

4. 总结

互斥量和条件变量是多线程编程中常用的同步机制。互斥量用于保护共享资源，而条件变量用于防止线程的忙等待，协调生产者与消费者线程。通过合理使用这两种机制，可以有效地避免数据竞争和死锁问题，提高多线程程序的稳定性和性能。

希望本文能帮助你更好地理解和使用pthread互斥量与条件变量。如果你有任何问题或需要进一步的帮助，请随时留言！

ncurses库的使用总结

前言

ncurses（new curses）是一个程序库，它提供的API可以允许程序员编写独立于终端的基于文本的用户界面。它是一个虚拟终端中的“类GUI”应用软件工具箱。它还优化了屏幕刷新方法，以减少使用远程shell时遇到的延迟。

一、环境初始化函数

1. WINDOW *initscr(void)
   • 参数：无
   • 返回值：返回标准窗口stdscr的指针；失败返回NULL。
   • 作用：初始化终端进入curses模式，必须在其他ncurses函数前调用。
   • 使用注意：每个程序只能调用一次，需与endwin()配对。

2. int endwin(void)
   • 参数：无
   • 返回值：成功返回OK，失败返回ERR。
   • 作用：释放ncurses资源，恢复终端原始状态。需在程序退出前调用。

   // 示例：初始化与退出
   initscr();
   // ...其他操作...
   endwin();

3. 信号处理（非函数原型，但关键）
   • 使用场景：防止程序异常终止导致终端显示异常。
   • 示例：

   #include <signal.h>
   void sig_handler(int signo) { endwin(); exit(0); }
   signal(SIGINT, sig_handler);  // 处理Ctrl+C

二、输入模式控制

1. int raw(void) / int cbreak(void)
   • 参数：无
   • 返回值：成功返回OK，失败返回ERR。
   • 区别：
   ◦ raw()：禁用行缓冲和信号处理（如Ctrl+C会直接传递为输入字符）。
   ◦ cbreak()：禁用行缓冲但保留信号处理。
2. int echo(void) / int noecho(void)
   • 参数：无
   • 作用：控制输入回显，noecho()常用于密码输入等场景。
3. int keypad(WINDOW *win, bool bf)
   • 参数：
   ◦ win：目标窗口（通常为stdscr）。
   ◦ bf：TRUE启用功能键（如方向键/F1-F12），FALSE禁用。
   • 返回值：成功返回OK，失败返回ERR。
4. int halfdelay(int tenths)
   • 参数：tenths为等待输入的0.1秒倍数（1-255）。
   • 作用：设置输入超时，超时后返回ERR。

三、屏幕输出与光标控制

1. 基础输出函数
   • int addch(chtype ch)
   ◦ 参数：ch为字符（可组合属性，如ch | A_BOLD）。
   • int printw(const char *fmt, ...)
   ◦ 参数：类似printf，支持格式化字符串。
   • int addstr(const char *str)
   ◦ 参数：直接输出完整字符串。
2. 光标移动函数
   • int move(int y, int x)
   ◦ 参数：目标坐标(y, x)（行、列）。
   ◦ 返回值：成功返回OK，失败返回ERR。
   • mvaddch(int y, int x, chtype ch)
   ◦ 等效操作：move(y, x); addch(ch);。
3. 屏幕刷新与清空
   • int refresh(void)：将stdscr的内容刷新到物理屏幕。
   • int erase(void)：清空stdscr内容，不重置光标。
   • int clear(void)：清屏并重置光标到(0,0)。

四、窗口管理

1. 窗口创建与销毁
   • WINDOW *newwin(int nlines, int ncols, int y, int x)
   ◦ 参数：窗口行数、列数、起始坐标(y, x)。
   ◦ 返回值：新窗口指针。
   • int delwin(WINDOW *win)
   ◦ 注意：需先销毁子窗口再销毁父窗口。
2. 窗口操作
   • int wrefresh(WINDOW *win)：刷新指定窗口到屏幕。
   • int box(WINDOW *win, chtype verch, chtype horch)
   ◦ 参数：verch为垂直边框字符，horch为水平边框字符。

五、输入处理

1. 字符输入
   • int getch(void)
   ◦ 返回值：阻塞模式下等待输入，返回字符或功能键宏（如KEY_LEFT）。
   • int nodelay(WINDOW *win, bool bf)
   ◦ 参数：bf为TRUE时进入非阻塞模式（无输入返回ERR）。
2. 坐标获取宏
   • getyx(WINDOW *win, int y, int x)
   ◦ 作用：获取窗口当前光标坐标（y和x需为变量地址）。
   • getmaxyx(WINDOW *win, int y, int x)
   ◦ 作用：获取窗口最大行数和列数。

六、最佳实践示例

#include <ncurses.h>
#include <signal.h>

void sig_handler(int signo) { endwin(); exit(0); }

int main() {
    initscr();
    signal(SIGINT, sig_handler);
    cbreak();
    noecho();
    keypad(stdscr, TRUE);

    printw("Press F1 to exit");
    int ch = getch();
    if (ch == KEY_F(1)) {
        endwin();
        return 0;
    }

    endwin();
}

以上内容综合了多个文档来源，具体函数细节可参考官方手册或相关示例。