生產者消費者問題 C 語言實戰：信號量與共享記憶體實現進程同步

專案背景與架構設計

生產者-消費者模型是經典的進程同步問題。本實作採用 System V 信號量 實現互斥與同步，配合 共享記憶體 作為緩衝區，透過命令列參數區分生產者（-p）與消費者（-c）進程。

核心資料結構

// 共享記憶體結構
typedef struct {
    int buffer[8];   // 環狀緩衝區，容量 8
    int count;       // 當前產品數量
    int in, out;     // 生產/消費指標
} SharedMemory;

// 信號量聯合體（Linux 需自行定義）
union semun {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};

關鍵同步邏輯

生產者流程

1. 建立並初始化信號量（互斥鎖 + 空位計數 + 滿位計數）
2. 建立共享記憶體並映射到進程空間
3. 循環：P(empty) → P(mutex) → 生產資料 → V(mutex) → V(full)
4. 緩衝區滿時阻塞，直到消費者取走產品
5. 結束前清理資源：刪除信號量、分離並刪除共享記憶體

消費者流程

1. 獲取現有信號量與共享記憶體
2. 循環：P(full) → P(mutex) → 取走資料 → V(mutex) → V(empty)
3. 緩衝區空時阻塞，直到生產者放入產品
4. 結束時分離共享記憶體（不刪除，由生產者負責）

程式執行示例

$ ./a.out -p &          # 後台啟動生產者
[1] 3562
$ [pid: 3562] producer is running
producer count: 0
produce data. count:1, data:1
produce data. count:2, data:2
produce data. count:3, data:3

$ ./a.out -c              # 前台啟動消費者
[pid: 3563] customer is running
customer count: 3
get data. count:3, data:3
customer count: 2
get data. count:2, data:2
...

關鍵設計決策

• 雙重信號量機制：互斥鎖保護緩衝區存取，計數信號量追蹤空/滿狀態
• 非無限等待：滿/空時進程結束而非永久阻塞，避免死鎖
• 可配置參數：緩衝區大小、延遲時間均可調整
• 進程間隔離：強調不可用全域變數替代共享記憶體，因為進程擁有獨立位址空間

擴充建議

• 支援多生產者/多消費者場景
• 引入優先級機制
• 使用 POSIX 信號量 (sem_t) 替代 System V，提高可移植性
• 加入共享記憶體損壞檢測與恢復機制