C++信号量实现进程间通信（IPC）详解：小白也能掌握的POSIX信号量教程

什么是信号量？

信号量（Semaphore）是一种用于控制多个进程或线程对共享资源访问的计数器。它最早由荷兰计算机科学家 Dijkstra 提出，广泛应用于 C++ IPC 场景。

简单来说，信号量就像一个“许可证”系统：

• 当信号量值 > 0 时，表示有可用资源，进程可以“拿走”一个许可证（信号量减1）；
• 当信号量值 = 0 时，表示没有可用资源，进程必须等待，直到其他进程释放资源（信号量加1）。

POSIX 信号量 vs System V 信号量

在 Linux 系统中，有两种主要的信号量实现：

1. System V 信号量：较老的接口，功能强大但使用复杂；
2. POSIX 信号量：更现代、简洁，推荐用于新项目。

本文将重点介绍 POSIX信号量，因为它更易于理解和使用。

POSIX 信号量基本函数

POSIX 信号量主要包含以下函数（需包含头文件 <semaphore.h>）：

• sem_open()：创建或打开一个命名信号量；
• sem_wait()：等待（P 操作），信号量减1；
• sem_post()：释放（V 操作），信号量加1；
• sem_close()：关闭信号量；
• sem_unlink()：删除信号量（仅命名信号量）。

实战：用 C++ 实现两个进程通过信号量同步

下面我们将编写两个 C++ 程序：producer.cpp 和 consumer.cpp，它们通过一个命名信号量协调对共享内存的访问。

步骤 1：编写生产者（producer.cpp）

#include <iostream>#include <fcntl.h>#include <sys/stat.h>#include <semaphore.h>#include <unistd.h>int main() {    // 创建或打开名为 "/my_sem" 的信号量，初始值为 0    sem_t* sem = sem_open("/my_sem", O_CREAT, 0644, 0);    if (sem == SEM_FAILED) {        perror("sem_open");        return 1;    }    std::cout << "Producer: 准备发送数据...\n";    sleep(2); // 模拟处理时间    std::cout << "Producer: 数据已准备好，通知消费者！\n";    sem_post(sem); // 释放信号量（+1）    // 关闭并清理信号量    sem_close(sem);    sem_unlink("/my_sem"); // 删除信号量    return 0;}

步骤 2：编写消费者（consumer.cpp）

#include <iostream>#include <fcntl.h>#include <semaphore.h>#include <unistd.h>int main() {    // 打开已存在的信号量 "/my_sem"    sem_t* sem = sem_open("/my_sem", 0);    if (sem == SEM_FAILED) {        perror("sem_open");        return 1;    }    std::cout << "Consumer: 等待数据...\n";    sem_wait(sem); // 等待信号量（-1，若为0则阻塞）    std::cout << "Consumer: 收到数据！开始处理...\n";    sem_close(sem);    return 0;}

步骤 3：编译和运行

在终端中执行以下命令：

# 编译g++ -o producer producer.cpp -lpthreadg++ -o consumer consumer.cpp -lpthread# 先运行 consumer（它会阻塞等待）./consumer &# 再运行 producer./producer

你会看到 consumer 先打印“等待数据”，然后 producer 运行后，consumer 继续执行并打印“收到数据！”。

注意事项与最佳实践

• 命名信号量以 / 开头（如 /my_sem），这是 POSIX 标准要求；
• 务必调用 sem_close() 关闭信号量，避免资源泄漏；
• 通常由创建者调用 sem_unlink() 删除信号量；
• 链接时需加上 -lpthread，因为 POSIX 信号量依赖 pthread 库。

总结

通过本教程，你已经掌握了如何在 C++ 中使用 POSIX信号量 实现 进程间通信。信号量是解决并发问题的强大工具，尤其适用于生产者-消费者模型、资源池管理等场景。

记住，良好的同步机制是构建稳定、高效多进程应用的基础。现在，你可以尝试扩展这个例子，比如加入共享内存来传递实际数据，进一步提升你的 C++ IPC 技能！

关键词回顾：C++信号量、C++ IPC、进程间通信、POSIX信号量