使用共享堆栈进行进程间通信

在多进程编程过程中，进程间通信是必不可少的，而共享堆栈是一种常见的进程间通信方式之一。共享堆栈是一种数据结构，可以同时被多个进程访问，实现数据的读取和存储。下面将详细介绍如何使用共享堆栈进行进程间通信。

进程间通信原理

进程间通信本质上是数据的传输和共享。共享堆栈通过在共享内存中创建一块固定大小的堆栈区域，并使用信号量来保证同步和互斥，实现进程间的数据传输和共享。

具体来讲，共享堆栈的实现需要以下几个步骤：

1. 在共享内存中创建一个固定大小的堆栈区域。
2. 为堆栈区域创建两个指向栈顶的指针：一个是读指针，一个是写指针。
3. 当一个进程需要向共享堆栈中写入数据时，会先检查堆栈是否已满。如果堆栈已满，则进程会等待，直到堆栈有空间。
4. 当一个进程需要从共享堆栈中读取数据时，会先检查堆栈是否已空。如果堆栈已空，则进程会等待，直到堆栈有数据。
5. 当一个进程写入数据时，会将写指针指向下一个空闲位置，并写入数据。
6. 当一个进程读取数据时，会从读指针所指位置读取数据，并将读指针指向下一个位置。

代码实现

接下来，我们将编写一个使用共享堆栈进行进程间通信的简单例子。假设我们有两个进程，一个是生产者进程，一个是消费者进程。生产者进程负责生成随机整数并写入共享堆栈中，消费者进程负责从共享堆栈中读取数据并输出到终端上。

下面是示例代码：

# 生产者进程
import random
import time
import mmap
import os
import struct
from fcntl import flock, LOCK_EX, LOCK_UN

SIZE = 4096
FILENAME = 'stack.txt'
FILE_ACCESS = os.O_RDWR | os.O_CREAT

def main():
    # 打开共享文件
    with open(FILENAME, 'r+b') as f:
        # 将文件映射至内存
        map_fileno = mmap.mmap(f.fileno(), SIZE)
        
        # 对文件加锁
        flock(f.fileno(), LOCK_EX)
        
        while True:
            # 获取写指针位置
            write_offset_bytes = map_fileno[0:4]
            write_offset = struct.unpack('i', write_offset_bytes)[0]
            
            # 获取读指针位置
            read_offset_bytes = map_fileno[4:8]
            read_offset = struct.unpack('i', read_offset_bytes)[0]
            
            # 判断堆栈是否已满
            if (write_offset + 4) % SIZE == read_offset:
                continue
                
            # 随机生成一个整数并写入共享堆栈中
            int_bytes = struct.pack('i', random.randint(0, 100))
            map_fileno[write_offset:write_offset+4] = int_bytes
            
            # 更新写指针位置
            write_offset = (write_offset + 4) % SIZE
            map_fileno[0:4] = struct.pack('i', write_offset)
            
            print('Producer write: ' + str(struct.unpack('i', int_bytes)[0]))
            
            time.sleep(1)
        
        # 对文件解锁
        flock(f.fileno(), LOCK_UN)

if __name__ == '__main__':
    main()
    
# 消费者进程
import time
import mmap
import os
import struct
from fcntl import flock, LOCK_EX, LOCK_UN

SIZE = 4096
FILENAME = 'stack.txt'
FILE_ACCESS = os.O_RDWR | os.O_CREAT

def main():
    # 打开共享文件
    with open(FILENAME, 'r+b') as f:
        # 将文件映射至内存
        map_fileno = mmap.mmap(f.fileno(), SIZE)
        
        # 对文件加锁
        flock(f.fileno(), LOCK_EX)
        
        while True:
            # 获取写指针位置
            write_offset_bytes = map_fileno[0:4]
            write_offset = struct.unpack('i', write_offset_bytes)[0]
            
            # 获取读指针位置
            read_offset_bytes = map_fileno[4:8]
            read_offset = struct.unpack('i', read_offset_bytes)[0]
            
            # 判断堆栈是否已空
            if read_offset == write_offset:
                continue
                
            # 从共享堆栈中读取一个整数并输出到终端上
            int_bytes = map_fileno[read_offset:read_offset+4]
            number = struct.unpack('i', int_bytes)[0]
            print('Consumer read: ' + str(number))
            
            # 更新读指针位置
            read_offset = (read_offset + 4) % SIZE
            map_fileno[4:8] = struct.pack('i', read_offset)
            
            time.sleep(1)
        
        # 对文件解锁
        flock(f.fileno(), LOCK_UN)

if __name__ == '__main__':
    main()

小结

共享堆栈是一种简单而高效的进程间通信方式，可用于多种应用场景。但是，由于共享堆栈需要显式地控制读写指针，所以使用此方法时需要注意同步和互斥问题。如果多个进程同时访问共享堆栈，很可能会产生竞争条件，需要使用锁来保证数据的正确性。