Linux环境编程基础

静态库和动态库

在实际开发中，我们把通用的函数和类分文件编写，称之为库。在其它的程序中，可以使用库中的函数和类。

一般来说，通用的函数和类不提供源代码文件（安全性、商业机密），而是编译成二进制文件。

库的二进制文件有两种：静态库和动态库。

静态库和静态链接

程序在编译时会把库文件的二进制代码链接到目标程序中，这种方式称为静态链接。

如果多个程序中用到了同一静态库中的函数或类，就会存在多份拷贝。

静态库的链接是在编译时期完成的，执行的时候代码加载速度快。
目标程序的可执行文件比较大，浪费空间
程序的更新和发布不方便，如果某一个静态库更新了，所有使用它的程序都需要重新编译。

举个例子

public 实现通用函数和类，在demo01 中调用

1 一起编译

2 先静态库（二进制文件）

使用方式1（不推荐）

使用方式2 （L目录 l库名）

动态库和动态链接

程序在编译时不会把库文件的二进制代码链接到目标程序中，而是在运行时候才被载入。

如果多个进程中用到了同一动态库中的函数或类，那么在内存中只有一份，避免了空间浪费问题。

程序在运行的过程中，需要用到动态库的时候才把动态库的二进制代码载入内存。
可以实现进程之间的代码共享，因此动态库也称为共享库。
程序升级比较简单，不需要重新编译程序，只需要更新动态库就行了。

制作

使用

动态库 + 源代码一起编译

规范方法

对比

如果动态库和静态库同时存在，编译器将优先使用动态库。

makefile

总体说明

tab键

1 使用 make 增量编译 tools 目录下

2 分别在tool 和 api make 然后一起编译（添加api到环境遍历）

指定头文件路径

app 下 makefile 文件

如何优化？

使用变量

main 函数

如何传入参数

#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc,char *argv[],char *envp[])
{
  if (argc!=4)
  {
    cout << "表白神器程序的使用方法：./demo 追求者姓名 被追求者姓名 表白内容\n";
    return -1;
  }

  cout << argv[1] << "开始向" << argv[2] << "表白。\n";
  cout << argv[3] << endl;
  cout << argv[1] << "表白完成。\n";

  return 0;

  cout << "一共有" << argc << "个参数。\n";

  // 显示全部的参数。
  for (int ii=0;ii<argc;ii++)
  {
    cout << "第" << ii << "个参数：" << argv[ii] << endl;
  }
  // 显示全部的环境变量。
  for (int ii=0;envp[ii]!=0;ii++)  // 环境变量数组最后一个元素是0。
  {
    cout << envp[ii] << endl;
  }

  // 设置环境变量AA。
  setenv("AA","aaaa",0);

  // 显示环境变量AA的值。
  cout << "AA=" << getenv("AA") << endl;

  return 0;
}

gdb 调试

运行到 line 17 停止

到第二个断点停止

手动改 ii 的值

core dump

段错误

运行core文件，显示在第八行挂了

函数调用栈

调试运行程序

找到进程进行调试

Linux 时间操作

创建进程

一、Linux的0、1和2号进程

整个Linux系统的进程形成了一颗树形结构。以下是一些重要的进程：

0号进程（系统进程）： 所有进程的祖先，创建了1号和2号进程。
1号进程（systemd）： 负责执行内核的初始化工作和进行系统配置。
2号进程（kthreadd）： 负责所有内核线程的调度和管理。

可以使用 pstree -p 进程编号 命令查看进程树。

二、进程标识

每个进程都有一个唯一的非负整数表示的进程ID。重要的系统调用包括：

pid_t getpid(void);：获取当前进程的ID。
pid_t getppid(void);：获取父进程的ID。

什么是系统调用？

系统调用是操作系统提供给用户程序的接口，用于访问操作系统的核心功能和资源。通过系统调用，用户程序可以请求执行特权操作，如文件操作、进程控制、内存管理、网络通信等。它是用户程序与操作系统内核之间的通信方式，允许应用程序利用操作系统提供的服务完成各种任务。

它会产生什么开销？程序员在编码时是否需要考虑它？

系统调用会引入一定的开销，因为它涉及从用户空间切换到内核空间，执行特权操作，并最终返回结果。这个过程需要上下文切换、参数传递、权限检查等步骤，因此相比于用户空间的普通函数调用，系统调用通常较为耗时。

程序员在编码时需要考虑系统调用的开销，尤其是在编写性能关键的应用程序时。以下是一些建议：

减少系统调用次数： 尽量减少不必要的系统调用，可以通过优化算法、缓存数据、合并文件操作等方式来减少系统调用的频率。

批量操作： 将多个操作合并为一个系统调用，而不是多次单独调用。例如，通过一次读取或写入大块数据，而不是多次读取或写入小块数据，以减少系统调用的开销。

异步和事件驱动： 使用异步操作或事件驱动模型，以充分利用系统资源，减少等待系统调用完成的时间。

合理使用缓存： 缓存可以减少对文件或数据的重复读取，从而减少对系统调用的依赖。

三、fork()函数

一个现有的进程可以调用fork()函数创建一个新的进程。pid_t fork(void);

由fork()创建的新进程被称为子进程。子进是父进程的副本，父进程和子进程都从调用fork()之后的代码开始执行。

fork()函数被调用一次，但返回两次。两次返回的区别是子进程的返回值是0，而父进程的返回值则是子进程的进程ID。所以可以根据返回值的不同，让两个进程执行不同的代码。

子进程获得了父进程数据空间、堆和栈的副本（注意：子进程拥有的是副本，不是和父进程共享）。

*多线程中共享数据空间、堆和栈。

*那变量地址为什么相同？

虚拟地址相同，物理地址不同

理论上来说，父进程和子进程的变量地址是相同的，但实际上，这个地址是虚拟地址，而不是物理地址。虚拟地址是由操作系统管理的，它对应着真正的物理地址。

在 fork() 的写时复制机制下，当父进程或子进程尝试修改这个共享的变量时，操作系统会复制相应的数据页，确保父子进程各自有一份独立的数据，从而避免相互干扰。

所以，虽然变量的虚拟地址看起来是相同的，但实际上它们对应的物理地址可能是不同的，因为操作系统在必要时会进行复制，保证了进程间的独立性。这种机制确保了在写入数据时才会发生实际的数据复制，避免了不必要的性能开销。

fork()之后，父进程和子进程的执行顺序是不确定的。

在 fork() 之后，父进程和子进程的执行顺序是不确定的，因为操作系统的调度机制决定了哪个进程首先被执行。这是由于父子进程是独立的进程，它们在执行时互相不受影响，操作系统可以在任何时刻切换执行权。

在多线程编程中，同样存在执行顺序不确定的问题。不同于进程的独立地址空间，线程共享同一地址空间，因此它们能够直接访问共享的数据。线程调度由操作系统内核负责，而线程之间的调度是非确定性的。

多线程编程中的线程调度可能受到很多因素的影响，比如操作系统的调度策略、线程的优先级等。因此，多线程程序中，各个线程的执行顺序是不确定的。

在多线程和多进程编程中，如果涉及到共享资源，需要使用同步机制来确保数据的一致性和正确性，比如互斥锁、信号量等。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
  int bh = 8;
  string message = "我是一只傻傻鸟。";

  pid_t pid = fork();

  if (pid > 0)
  {
    // 父进程将执行这段代码。
    sleep(1);
    cout << "父：pid=" << pid << endl;
    cout << "父：亲爱的" << bh << "号：" << message << endl;
  }
  else
  {
    // 子进程将执行这段代码。
    bh = 3; message = "你是一只傻傻鸟。";
    cout << "子：pid=" << pid << endl;
    cout << "子：亲爱的" << bh << "号：" << message << endl;
  }

  return 0;
}

四、fork()的两种用法

1）父子进程执行不同代码： 在网络服务程序中常见，父进程等待客户端连接请求，当请求到达时，父进程调用fork()，让子进程处理请求，而父进程继续等待下一个连接请求。

2）执行另一个程序： 子进程从fork()返回后调用exec。在Shell中常见。

exec函数族提供了一种在进程中调用程序（二进制文件或Shell脚本）的方法。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
  if (fork() > 0)
  {
    // 父进程将执行这段代码。
    while (true)
    {
      sleep(1);
      cout << "父进程运行中...\n";
    }
  }
  else
  {
    // 子进程将执行这段代码。
    sleep(10);
    cout << "子进程开始执行任务...\n";
    execl("/bin/ls", "/bin/ls", "-lt", "/tmp", 0);
    cout << "子进程执行任务结束，退出。\n";
  }

  return 0;
}

五、共享文件

父进程和子进程通过fork()共享打开的文件描述符，包括文件偏移量。如果同时写入同一描述符指向的文件，输出可能相互混合。

示例代码：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
  ofstream fout;
  fout.open("/tmp/tmp.txt");

  fork();

  for (int ii = 0; ii < 10000000; ii++)
  {
    fout << "进程" << getpid() << "西施" << ii << "极漂亮" << "\n";
  }

  fout.close();

  return 0;
}

六、vfork()函数

vfork()函数用于创建一个新进程，该新进程的目的是执行exec一个新程序。与fork()不同，vfork()不复制父进程的地址空间。子进程会立即调用exec，因此不使用父进程的地址空间。

vfork()保证子进程先运行，在子进程调用exec或exit()之后，父进程才恢复运行。

僵尸进程

如果父进程比子进程先退出，子进程将被1号进程托管（这也是一种让程序在后台运行的方法）。

如果子进程比父进程先退出，而父进程没有处理子进程退出的信息，那么，子进程将成为僵尸进程。

僵尸进程有什么危害？内核为每个子进程保留了一个数据结构，包括进程编号、终止状态、使用CPU时间等。父进程如果处理了子进程退出的信息，内核就会释放这个数据结构，父进程如果没有处理子进程退出的信息，内核就不会释放这个数据结构，子进程的进程编号将一直被占用。系统可用的进程编号是有限的，如果产生了大量的僵尸进程，将因为没有可用的进程编号而导致系统不能产生新的进程。

如何避免？

1）子进程退出的时候，内核会向父进程发头SIGCHLD信号，如果父进程用signal(SIGCHLD,SIG_IGN)通知内核，表示自己对子进程的退出不感兴趣，那么子进程退出后会立即释放数据结构。

2）父进程通过wait()/waitpid()等函数等待子进程结束，在子进程退出之前，父进程将被阻塞待。

情况1

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main()
{
  if (fork()>0)
  { // 父进程将执行这段代码。
    while (true)
    {
      sleep(20);
      cout << "父进程运行中...\n";
      return 0;
    }
  }
  else
  { // 子进程将执行这段代码。
    for (int ii = 0; ii < 100; ++ii) {
        cout << "子进程继续运行中。" << endl;
        sleep(1);
    }
    // sleep(10);
    // cout << "子进程开始执行任务...\n";
    // execl("/bin/ls","/bin/ls","-lt","/tmp",0);
    // cout << "子进程执行任务结束，退出。\n";
  }
}

20s后

情况2

获取子进程的退出信息

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using  namespace std;

void func(int sig)   // 子进程退出的信号处理函数。
{
  int sts;
  pid_t pid = wait(&sts);

  cout << "已终止的子进程编号是：" << pid << endl;

  if (WIFEXITED(sts)) { cout << "子进程是正常退出的，退出状态是：" << WEXITSTATUS(sts) << endl; }
  else { cout << "子进程是异常退出的，终止它的信号是：" << WTERMSIG(sts) << endl; }
}

int main()
{
  signal(SIGCHLD,func);  // 捕获子进程退出的信号。

  if (fork() > 0)
  { // 父进程的流程。
    while (true)
    {
      cout << "父进程忙着执行任务。\n";
      sleep(1);
    }
  }
  else
  { // 子进程的流程。
    sleep(5);
    // int *p=0; *p=10;
    exit(0);
  }
}

产生内存泄露的情况

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
using  namespace std;

void func(int sig)   // 子进程退出的信号处理函数。
{
  int sts;
  pid_t pid = wait(&sts); // 调用子进程退出的信息

  cout << "已终止的子进程编号是：" << pid << endl;

  if (WIFEXITED(sts)) { cout << "子进程是正常退出的，退出状态是：" << WEXITSTATUS(sts) << endl; }
  else { cout << "子进程是异常退出的，终止它的信号是：" << WTERMSIG(sts) << endl; }
}

int main()
{
  signal(SIGCHLD,func);  // 捕获子进程退出的信号。

  if (fork() > 0)
  { // 父进程的流程。
    while (true)
    {
      cout << "父进程忙着执行任务。\n";
      sleep(1);
    }
  }
  else
  { // 子进程的流程。
    //sleep(5);
    int *p=0; *p=10;
    exit(0);
  }
}

多进程和信号

Linux操作系统提供了kill和killall命令向进程发送信号，在程序中，可以用kill()函数向其它进程发送信号。

函数声明：

int kill(pid_t pid, int sig);

kill()函数将参数sig指定的信号给参数pid 指定的进程。

参数pid 有几种情况：

1）pid>0 将信号传给进程号为pid 的进程。

2）pid=0 将信号传给和当前进程相同进程组的所有进程，常用于父进程给子进程发送信号，注意，发送信号者进程也会收到自己发出的信号。

3）pid=-1 将信号广播传送给系统内所有的进程，例如系统关机时，会向所有的登录窗口广播关机信息。

sig：准备发送的信号代码，假如其值为0则没有任何信号送出，但是系统会执行错误检查，通常会利用sig值为零来检验某个进程是否仍在运行。

返回值说明：成功执行时，返回0；失败返回-1，errno被设置。

在多进程的服务程序中，如果子进程收到退出信号，子进程自行退出，

如果父进程收到退出信号，则应该先向全部的子进程发送退出信号，然后自己再退出。

在循环中使用 signal(SIGTERM, FathEXIT); 和 signal(SIGINT, FathEXIT); 设置了父进程的信号处理函数。这表示当父进程接收到 SIGTERM 或 SIGINT 信号时，将执行 FathEXIT 函数。
在父进程和子进程中，使用 signal(SIGTERM, ChldEXIT); 设置了子进程的信号处理函数。这表示当子进程接收到 SIGTERM 信号时，将执行 ChldEXIT 函数。
在子进程中，使用 signal(SIGINT, SIG_IGN); 忽略了 SIGINT 信号，即子进程不处理 SIGINT 信号。
通过 kill(0, SIGTERM); 向全部子进程发送 SIGTERM 信号，通知它们退出。

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
using  namespace std;

void FathEXIT(int sig);  // 父进程的信号处理函数。
void ChldEXIT(int sig);  // 子进程的信号处理函数。

int main()
{
  // 忽略全部的信号，不希望被打扰。
  for (int ii=1;ii<=64;ii++) signal(ii,SIG_IGN);

  // 设置信号,在shell状态下可用 "kill 进程号" 或 "Ctrl+c" 正常终止些进程
  // 但请不要用 "kill -9 +进程号" 强行终止
  // SIGTERM 15 SIGINT 2
  signal(SIGTERM,FathEXIT); signal(SIGINT,FathEXIT);  

  while (true)
  {
    // 每五秒创建一个子进程
    if (fork()>0) // 父进程的流程。
    {
      sleep(5); continue;
    }
    else          // 子进程的流程。
    {
      // 子进程需要重新设置信号。
      signal(SIGTERM,ChldEXIT);   // 子进程的退出函数与父进程不一样。
      signal(SIGINT ,SIG_IGN);    // 子进程不需要捕获SIGINT信号。

      while (true)
      {
        cout << "子进程" << getpid() << "正在运行中。\n"; sleep(3); continue;
      }
    }
  }
}

// 父进程的信号处理函数。
void FathEXIT(int sig)
{
  // 以下代码是为了防止信号处理函数在执行的过程中再次被信号中断。
  signal(SIGINT,SIG_IGN); signal(SIGTERM,SIG_IGN);

  cout << "父进程退出，sig=" << sig << endl;

  // 向全部的子进程发送15的信号，通知它们退出。
  // 可能会发给自己
  kill(0,SIGTERM);     

  // 在这里增加释放资源的代码（全局的资源）。

  exit(0);
}

// 子进程的信号处理函数。
void ChldEXIT(int sig)
{
  // 以下代码是为了防止信号处理函数在执行的过程中再次被信号中断。
  signal(SIGINT,SIG_IGN); signal(SIGTERM,SIG_IGN);

  cout << "子进程" << getpid() << "退出，sig=" << sig << endl;

  // 在这里增加释放资源的代码（只释放子进程的资源）。

  exit(0);
}

共享内存

常用操作

在 Linux 中，共享内存相关的操作通常通过 System V IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）机制实现。以下是一些与共享内存相关的常用命令：

ipcs命令：
- ipcs -m：显示当前系统上的共享内存信息。
- ipcs -ma：以更详细的格式显示共享内存信息。
ipcrm命令：
- ipcrm -m <shmid>：删除指定的共享内存段。

多线程共享进程的地址空间，如果多个线程需要访问同一块内存，用全局变量就可以了。

在多进程中，每个进程的地址空间是独立的，不共享的，如果多个进程需要访问同一块内存，不能用全局变量，只能用共享内存。

共享内存（Shared Memory）允许多个进程（不要求进程之间有血缘关系）访问同一块内存空间，是多个进程之间共享和传递数据最高效的方式。进程可以将共享内存连接到它们自己的地址空间中，如果某个进程修改了共享内存中的数据，其它的进程读到的数据也会改变。

共享内存没有提供锁机制，也就是说，在某一个进程对共享内存进行读/写的时候，不会阻止其它进程对它的读/写。如果要对共享内存的读/写加锁，可以使用信号量。

Linux中提供了一组函数用于操作共享内存。

shmget函数

该函数用于创建/获取共享内存。

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

key 共享内存的键值，是一个整数（typedef unsigned int key_t），一般采用十六进制，例如0x5005，不同共享内存的key不能相同。

size 共享内存的大小，以字节为单位。

shmflg 共享内存的访问权限，与文件的权限一样，例如0666|IPC_CREAT，0666表示全部用户对它可读写，IPC_CREAT表示如果共享内存不存在，就创建它。

返回值：成功返回共享内存的id（一个非负的整数），失败返回-1（系统内存不足、没有权限）

用ipcs -m可以查看系统的共享内存，包括：键值（key），共享内存id（shmid），拥有者（owner），权限（perms），大小（bytes）。

shmat函数

该函数用于把共享内存连接到当前进程的地址空间。

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

shmid 由shmget()函数返回的共享内存标识。

shmaddr 指定共享内存连接到当前进程中的地址位置，通常填0，表示让系统来选择共享内存的地址。

shmflg 标志位，通常填0。

调用成功时返回共享内存起始地址，失败返回(void*)-1。

shmdt函数

该函数用于将共享内存从当前进程中分离，相当于shmat()函数的反操作。

int shmdt(const void *shmaddr);

shmaddr shmat()函数返回的地址。

调用成功时返回0，失败时返回-1。

shmctl函数

该函数用于操作共享内存，最常用的操作是删除共享内存。

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

shmid shmget()函数返回的共享内存id。

command 操作共享内存的指令，如果要删除共享内存，填IPC_RMID。

buf 操作共享内存的数据结构的地址，如果要删除共享内存，填0。

调用成功时返回0，失败时返回-1。

注意，用root创建的共享内存，不管创建的权限是什么，普通用户无法删除。

删除

不能用容器！因为栈堆区内存不属于共享内存！

生产消费者模型

循环队列和信号量

生产者程序

// 多进程的生产消费者模型的生产者程序
#include "_public.h"

int main()
{
  struct stgirl  // 循环队列的数据元素是超女结构体。
  {
    int no;
    char name[51];
  };

  using ElemType=stgirl;

  // 初始化共享内存。
  int shmid=shmget(0x5005, sizeof(squeue<ElemType,5>), 0640|IPC_CREAT);
  if ( shmid ==-1 )
  {
    cout << "shmget(0x5005) failed.\n"; return -1;
  }

  // 把共享内存连接到当前进程的地址空间。
  squeue<ElemType,5> *QQ=(squeue<ElemType,5> *)shmat(shmid,0,0);
  if ( QQ==(void *)-1 )
  {
    cout << "shmat() failed\n"; return -1;
  }

  QQ->init();       // 初始化循环队列。

  ElemType ee;      // 创建一个数据元素。

  csemp mutex; mutex.init(0x5001);     // 用于给共享内存加锁。
  csemp cond;  cond.init(0x5002,0,0);  // 信号量的值用于表示队列中数据元素的个数。

  mutex.wait();  // 加锁。
  // 生产3个数据。
  ee.no=3; strcpy(ee.name,"西施"); QQ->push(ee);
  ee.no=7; strcpy(ee.name,"冰冰"); QQ->push(ee);
  ee.no=8; strcpy(ee.name,"幂幂"); QQ->push(ee);
  mutex.post();  // 解锁。
  cond.post(3);  // 实参是3，表示生产了3个数据。

  shmdt(QQ);  // 把共享内存从当前进程中分离。
}

消费者程序

// 多进程的生产消费者模型的消费者程序
#include "_public.h"

int main()
{
  struct stgirl  // 循环队列的数据元素是超女结构体。
  {
    int no;
    char name[51];
  };

  using ElemType=stgirl;

  // 初始化共享内存。
  int shmid=shmget(0x5005, sizeof(squeue<ElemType,5>), 0640|IPC_CREAT);
  if ( shmid ==-1 )
  {
    cout << "shmget(0x5005) failed.\n"; return -1;
  }

  // 把共享内存连接到当前进程的地址空间。
  squeue<ElemType,5> *QQ=(squeue<ElemType,5> *)shmat(shmid,0,0);
  if ( QQ==(void *)-1 )
  {
    cout << "shmat() failed\n"; return -1;
  }

  QQ->init();       // 初始化循环队列。

  ElemType ee;      // 创建一个数据元素。

  csemp mutex; mutex.init(0x5001);     // 用于给共享内存加锁。
  csemp cond;  cond.init(0x5002,0,0);  // 信号量的值用于表示队列中数据元素的个数。

  while (true)
  {
    mutex.wait();  // 加锁。

    while (QQ->empty())    // 如果队列空，进入循环，否则直接处理数据。必须用循环，不能用if
    {
      mutex.post();   // 解锁。
      cond.wait();    // 等待生产者的唤醒信号。
      mutex.wait();   // 加锁。
    }

    // 数据元素出队。
    ee = QQ->front();  QQ->pop();
    mutex.post(); // 解锁。

    // 处理出队的数据（把数据消费掉）。
    cout << "no=" << ee.no << ",name=" << ee.name << endl;
    usleep(100);    // 假设处理数据需要时间，方便演示。
  }

  shmdt(QQ);
}

循环队列

_public.h

#ifndef __PUBLIC_HH
#define __PUBLIC_HH 1

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
using namespace std;

// 循环队列。
template <class TT, int MaxLength>
class squeue
{
private:
  bool m_inited;              // 队列被初始化标志，true-已初始化；false-未初始化。
  TT   m_data[MaxLength];     // 用数组存储循环队列中的元素。
  int  m_head;                // 队列的头指针。
  int  m_tail;                // 队列的尾指针，指向队尾元素。
  int  m_length;              // 队列的实际长度。    
  squeue(const squeue &) = delete;             // 禁用拷贝构造函数。
  squeue &operator=(const squeue &) = delete;  // 禁用赋值函数。
public:

  squeue() { init(); }  // 构造函数。

  // 循环队列的初始化操作。
  // 注意：如果用于共享内存的队列，不会调用构造函数，必须调用此函数初始化。
  void init()  
  { 
    if (m_inited!=true)      // 循环队列的初始化只能执行一次。
    { 
      m_head=0;              // 头指针。指向第一个元素
      m_tail=MaxLength-1;    // 为了方便写代码，初始化时，尾指针指向队列的最后一个位置。
      m_length=0;            // 队列的实际长度。
      memset(m_data,0,sizeof(m_data));  // 数组元素清零。
      m_inited=true; 
    }
  }

  // 元素入队，返回值：false-失败；true-成功。
  bool push(const TT &ee)
  {
    if (full() == true)
    {
      cout << "循环队列已满，入队失败。\n"; return false;
    }

    // 先移动队尾指针，然后再拷贝数据。
    m_tail=(m_tail+1)%MaxLength;  // 队尾指针后移。
    m_data[m_tail]=ee;
    m_length++;    

    return true;
  }

  // 求循环队列的长度，返回值：>=0-队列中元素的个数。
  int  size()                   
  {
    return m_length;    
  }

  // 判断循环队列是否为空，返回值：true-空，false-非空。
  bool empty()                    
  {
    if (m_length == 0) return true;    

    return false;
  }

  // 判断循环队列是否已满，返回值：true-已满，false-未满。
  bool full()
  {
    if (m_length == MaxLength) return true;    

    return false;
  }

  // 查看队头元素的值，元素不出队。
  TT& front()
  {
    return m_data[m_head];
  }

  // 元素出队，返回值：false-失败；true-成功。
  bool pop()
  {
    if (empty() == true) return false;

    m_head=(m_head+1)%MaxLength;  // 队列头指针后移。
    m_length--;    

    return true;
  }

  // 显示循环队列中全部的元素。
  // 这是一个临时的用于调试的函数，队列中元素的数据类型支持cout输出才可用。
  void printqueue()                    
  {
    for (int ii = 0; ii < size(); ii++)
    {
      cout << "m_data[" << (m_head+ii)%MaxLength << "],value=" \
           << m_data[(m_head+ii)%MaxLength] << endl;
    }
  }
};

// 信号量。
class csemp
{
private:
  union semun  // 用于信号量操作的共同体。
  {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short  *arry;
  };

  int   m_semid;         // 信号量id（描述符）。

  // 如果把sem_flg设置为SEM_UNDO，操作系统将跟踪进程对信号量的修改情况，
  // 在全部修改过信号量的进程（正常或异常）终止后，操作系统将把信号量恢复为初始值。
  // 如果信号量用于互斥锁，设置为SEM_UNDO。
  // 如果信号量用于生产消费者模型，设置为0。
  short m_sem_flg;

  csemp(const csemp &) = delete;             // 禁用拷贝构造函数。
  csemp &operator=(const csemp &) = delete;  // 禁用赋值函数。
public:
  csemp():m_semid(-1){}
  // 如果信号量已存在，获取信号量；如果信号量不存在，则创建它并初始化为value。
  // 如果用于互斥锁，value填1，sem_flg填SEM_UNDO。
  // 如果用于生产消费者模型，value填0，sem_flg填0。
  bool init(key_t key,unsigned short value=1,short sem_flg=SEM_UNDO);
  bool wait(short value=-1);// 信号量的P操作，如果信号量的值是0，将阻塞等待，直到信号量的值大于0。
  bool post(short value=1); // 信号量的V操作。
  int  getvalue();           // 获取信号量的值，成功返回信号量的值，失败返回-1。
  bool destroy();            // 销毁信号量。
 ~csemp();
};

#endif

_public.cpp

#include "_public.h"

// 如果信号量已存在，获取信号量；如果信号量不存在，则创建它并初始化为value。
// 如果用于互斥锁，value填1，sem_flg填SEM_UNDO。
// 如果用于生产消费者模型，value填0，sem_flg填0。
bool csemp::init(key_t key,unsigned short value,short sem_flg)
{
  if (m_semid!=-1) return false; // 如果已经初始化了，不必再次初始化。

  m_sem_flg=sem_flg;

  // 信号量的初始化不能直接用semget(key,1,0666|IPC_CREAT)
  // 因为信号量创建后，初始值是0，如果用于互斥锁，需要把它的初始值设置为1，
  // 而获取信号量则不需要设置初始值，所以，创建信号量和获取信号量的流程不同。

  // 信号量的初始化分三个步骤：
  // 1）获取信号量，如果成功，函数返回。
  // 2）如果失败，则创建信号量。
  // 3) 设置信号量的初始值。

  // 获取信号量。
  if ( (m_semid=semget(key,1,0666)) == -1)
  {
    // 如果信号量不存在，创建它。
    if (errno==ENOENT)
    {
      // 用IPC_EXCL标志确保只有一个进程创建并初始化信号量，其它进程只能获取。
      if ( (m_semid=semget(key,1,0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) == -1)
      {
        if (errno==EEXIST) // 如果错误代码是信号量已存在，则再次获取信号量。
        {
          if ( (m_semid=semget(key,1,0666)) == -1)
          { 
            perror("init 1 semget()"); return false; 
          }
          return true;
        }
        else  // 如果是其它错误，返回失败。
        {
          perror("init 2 semget()"); return false;
        }
      }

      // 信号量创建成功后，还需要把它初始化成value。
      union semun sem_union;
      sem_union.val = value;   // 设置信号量的初始值。
      if (semctl(m_semid,0,SETVAL,sem_union) <  0) 
      { 
        perror("init semctl()"); return false; 
      }
    }
    else
    { perror("init 3 semget()"); return false; }
  }

  return true;
}

// 信号量的P操作（把信号量的值减value），如果信号量的值是0，将阻塞等待，直到信号量的值大于0。
bool csemp::wait(short value)
{
  if (m_semid==-1) return false;

  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;      // 信号量编号，0代表第一个信号量。
  sem_b.sem_op = value;   // P操作的value必须小于0。
  sem_b.sem_flg = m_sem_flg;
  if (semop(m_semid,&sem_b,1) == -1) { perror("p semop()"); return false; }

  return true;
}

// 信号量的V操作（把信号量的值减value）。
bool csemp::post(short value)
{
  if (m_semid==-1) return false;

  struct sembuf sem_b;
  sem_b.sem_num = 0;     // 信号量编号，0代表第一个信号量。
  sem_b.sem_op = value;  // V操作的value必须大于0。
  sem_b.sem_flg = m_sem_flg;
  if (semop(m_semid,&sem_b,1) == -1) { perror("V semop()"); return false; }

  return true;
}

// 获取信号量的值，成功返回信号量的值，失败返回-1。
int csemp::getvalue()
{
  return semctl(m_semid,0,GETVAL);
}

// 销毁信号量。
bool csemp::destroy()
{
  if (m_semid==-1) return false;

  if (semctl(m_semid,0,IPC_RMID) == -1) { perror("destroy semctl()"); return false; }

  return true;
}

csemp::~csemp()
{
}

demo2.cpp

// demo2.cpp，本程序演示基于共享内存的循环队列。
#include "_public.h"

int main()
{
  using ElemType=int;

  // 初始化共享内存。
  int shmid=shmget(0x5005, sizeof(squeue<ElemType,5>), 0640|IPC_CREAT);
  if ( shmid ==-1 )
  {
    cout << "shmget(0x5005) failed.\n"; return -1;
  }

  // 把共享内存连接到当前进程的地址空间。
  // 模板类指针指向共享内存的首地址。不调用构造函数。
  squeue<ElemType,5> *QQ=(squeue<ElemType,5> *)shmat(shmid,0,0);
  if ( QQ==(void *)-1 )
  {
    cout << "shmat() failed\n"; return -1;
  }

  QQ->init();       // 初始化循环队列。

  ElemType ee;      // 创建一个数据元素。

  cout << "元素（1、2、3）入队。\n";
  ee=1;  QQ->push(ee);
  ee=2;  QQ->push(ee);
  ee=3;  QQ->push(ee);

  cout << "队列的长度是" << QQ->size() << endl;
  QQ->printqueue();

  ee=QQ->front(); QQ->pop(); cout << "出队的元素值为" << ee << endl;
  ee=QQ->front(); QQ->pop(); cout << "出队的元素值为" << ee << endl;

  cout << "队列的长度是" << QQ->size() << endl;
  QQ->printqueue();

  cout << "元素（11、12、13、14、15）入队。\n";
  ee=11;  QQ->push(ee);
  ee=12;  QQ->push(ee);
  ee=13;  QQ->push(ee);
  ee=14;  QQ->push(ee);
  ee=15;  QQ->push(ee);

  cout << "队列的长度是" << QQ->size() << endl;
  QQ->printqueue();

  shmdt(QQ);  // 把共享内存从当前进程中分离。
}

第一次运行：共享内存为空

第二次运行

没有锁机制，会存在竞争关系

demo3.cpp 用信号量给共享内存加锁

// demo3.cpp，本程序演示用信号量给共享内存加锁。
#include "_public.h"

struct stgirl     // 超女结构体。
{
  int  no;        // 编号。
  char name[51];  // 姓名，注意，不能用string。
};

int main(int argc,char *argv[])
{
  if (argc!=3) { cout << "Using:./demo no name\n"; return -1; }

  // 第1步：创建/获取共享内存，键值key为0x5005，也可以用其它的值。
  int shmid=shmget(0x5005, sizeof(stgirl), 0640|IPC_CREAT);
  if ( shmid ==-1 )
  { 
    cout << "shmget(0x5005) failed.\n"; return -1; 
  }

  cout << "shmid=" << shmid << endl;

  // 第2步：把共享内存连接到当前进程的地址空间。
  stgirl *ptr=(stgirl *)shmat(shmid,0,0);
  if ( ptr==(void *)-1 )
  { 
    cout << "shmat() failed\n"; return -1; 
  }

  // 创建、初始化二元信号量。
  csemp mutex;
  if (mutex.init(0x5005)==false)
  {
    cout << "mutex.init(0x5005) failed.\n"; return -1;
  }

  cout << "申请加锁...\n";
  mutex.wait(); // 申请加锁。
  cout << "申请加锁成功。\n";

  // 第3步：使用共享内存，对共享内存进行读/写。
  cout << "原值：no=" << ptr->no << ",name=" << ptr->name << endl;  // 显示共享内存中的原值。
  ptr->no=atoi(argv[1]);        // 对超女结构体的no成员赋值。
  strcpy(ptr->name,argv[2]);    // 对超女结构体的name成员赋值。
  cout << "新值：no=" << ptr->no << ",name=" << ptr->name << endl;  // 显示共享内存中的当前值。
  sleep(10);

  mutex.post(); // 解锁。
  cout << "解锁。\n";

  // 查看信号量  ：ipcs -s    // 删除信号量  ：ipcrm sem 信号量id
  // 查看共享内存：ipcs -m    // 删除共享内存：ipcrm -m  共享内存id

  // 第4步：把共享内存从当前进程中分离。
  shmdt(ptr);

  // 第5步：删除共享内存。
  //if (shmctl(shmid,IPC_RMID,0)==-1)
  //{ 
   // cout << "shmctl failed\n"; return -1; 
  //}
}