【Linux】进程通信实战 —— 进程池项目
送给大家一句话:
没有一颗星，会因为追求梦想而受伤，当你真心渴望某样东西时，整个宇宙都会来帮忙。 – 保罗・戈埃罗 《牧羊少年奇幻之旅》
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进程通信实战 —— 进程池项目
- 1 ♻️知识回顾
- 2 ♻️项目介绍
- 3 ♻️项目实现
- 3.1 ✨创建信道和子进程
- 3.2 ✨建立任务
- 3.3 ✨控制子进程
- 3.4 ✨回收信道和子进程
- 4 ♻️总结
- Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！
- 下一篇文章见！！！
1 ♻️知识回顾
在之前的讲解中，我们深入探讨了以下几个方面：
- 父子进程的创建与管理：我们详细讲解了父子进程是如何建立的，以及子进程如何继承父进程的代码和数据。子进程通常用于完成特定的任务。
- 文件操作：我们学习了如何使用 read 和 write 操作文件，并了解了文件描述符（fd）的概念，从而能够在文件中进行信息的读取和写入。
- 进程间通信：我们介绍了匿名管道，这是一种父子进程间进行通信的方式。通过共享资源，父子进程可以实现数据的传递和同步。
在接下来的内容中，让我们把所学知识来进行运用，我们将探讨进程池的概念和实现细节。
2 ♻️项目介绍
进程池是一种用于管理和复用进程的技术，它可以有效地管理系统资源并提高程序的性能和效率。通过维护一组预先创建的进程与管道，进程池可以避免频繁地创建和销毁进程，从而减少了系统开销和资源浪费。
主要使用的是池化技术的思想：
池化技术是一种广泛应用于系统开发中的优化策略，旨在通过复用资源来提高性能和效率。池化技术的核心思想是预先分配一组资源，并在需要时进行复用，而不是每次都重新创建和销毁资源。
池化技术（Pooling）涉及创建和管理一组预先分配的资源，这些资源可以是进程、线程、数据库连接或对象实例。在池化系统中，当请求到达时，它会从池中获取一个空闲资源，使用完毕后将其归还池中。这种方法避免了频繁的创建和销毁操作，从而显著减少了系统开销。
进程池就是通过预先创建若干个进程与管道，在需要进行任务时，选择一个进程，通过管道发送信息，让其完成工作。
进程池在实际项目中有广泛的应用，尤其是在处理大量并发任务时，例如：网络服务器中的请求处理、数据处理以及计算密集型任务。通过合理配置进程池的大小和参数，可以有效控制系统负载，提高整体响应速度。
3 ♻️项目实现
3.1 ✨创建信道和子进程
首先我们需要建立一个信道类，来储存管道及其对应的子进程信息。
//信道类
class Channel
{
public:
Channel(pid_t id , int wfd , std::string name)
:_id(id) , _wfd(wfd) , _name(name)
{
}
~Channel()
{
}
void Close()
{
close(_wfd);
}
//关闭管道时需要等待对应子进程结束
void WaitSub()
{
pid_t rid = waitpid(_id, nullptr, 0);
if (rid > 0)
{
std::cout << "wait " << rid << " success" << std::endl;
}
}
pid_t GetId(){ return _id;}
int GetWfd(){ return _wfd;}
std::string GetName(){return _name ;}
private:
pid_t _id ;//对应 子进程 id
int _wfd ;//写入端
std::string _name ; //管道名称
};
然后我们就建立若干个信道与子进程，创建子进程与信道的时候，把信息插入到信道容器中，完成储存。子进程需要阻塞在读取文件，等待父进程写入信息：
void CreateChannel(int num , std::vector<Channel>* channel)
{
//初始化任务
InitTask();
for(int i = 0 ; i < num ; i++)
{
//创建管道
int pipefd[2] = {0};
int n = pipe(pipefd);
if(n != 0)
{
std::cout << "create pipe failed!" << std::endl;
}
//创建子进程
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
//子进程 --- 只读不写
close(pipefd[1]);
work(pipefd[0]);
close(pipefd[0]);
exit(0);
}
//父进程
close(pipefd[0]);
std::string name = "Channel - " + std::to_string(i);
//储存信道信息
channel->push_back( Channel(id , pipefd[1] , name) );
}
}
这里提一下传参的规范：
const &：表示输出型参数，即该参数是输入型，不会被修改。常用于传递不需要修改的对象或数据。&：表示输入输出型参数，即该参数既是输入参数，又是输出参数，函数可能修改其内容。*：表示输出型参数，通常用于传递指针，函数通过指针参数返回结果给调用者。
进行一下测试，看看是否可以这正常建立信道与子进程;
int main(int argc , char* argv[])
{
//1. 通过main函数的参数 int argc char* argv[] (./ProcessPool 5)
//判断要创建多少个进程
if(argc != 2)
{
std::cout << "请输入需要创建的信道数量 :" << std::endl;
}
std::vector<Channel> channel;
int num = std::stoi(argv[1]);
//2. 创建信道和子进程
CreateChannel(num , &channel);
//测试：
for(auto t : channel)
{
std::cout<< "==============="<<std::endl;
std::cout<< "信道对应 name :" << t.GetName() <<std::endl;
std::cout<< "信道对应子进程 pid :" << t.GetId() <<std::endl;
std::cout<< "信道对应写端 wfd :" << t.GetWfd() <<std::endl;
}
return 0;
}
完美，可以正常创建！！！
3.2 ✨建立任务
完成了信道与子进程的创建，接下来我们就来设置一些任务。我们在.hpp文件里直接把声明定义写在一起，确保代码的模块化和可维护性。
void Print()
{
std::cout << "this is Print()"<< std::endl;
}
void Fflush()
{
std::cout << "this is Fflush()"<< std::endl;
}
void Scanf()
{
std::cout << "this is Scanf()"<< std::endl;
}
然后通过函数指针数来储存这些函数，因为子进程会继承父进程的数据，这样通过一个数字下标即可确定调用的函数。只需要传入 4 个字节的int类型，最大程度的减少了通信的成本！！！
#pragma once
#include
#include
#include
#include
#include
#define TaskNum 3
//这个文件里是任务函数
typedef void(*task_t)();
task_t tasks[TaskNum];
//...
//...三个函数
//...
void InitTask()
{
srand(time(nullptr) ^ getpid() ^ 17777);
tasks[0] = Print;
tasks[1] = Fflush;
tasks[2] = Scanf;
}
//执行任务！！！
void ExecuteTask(int num)
{
if(num < 0 || num > 2) return;
tasks[num]();
}
//随机挑选一个任务
int SelectTask()
{
return rand() % TaskNum;
}
3.3 ✨控制子进程
首先通过 SelectTask() 选择一个任务，然后选择一个信道和子进程。需要注意的是，这里要依次调用每一组子进程，采用轮询（Round-Robin）方案，以尽可能实现负载均衡。 然后发送任务（向信道写入4字节的数组下标）
int SelectChannel(int n)
{
//静态变量做到轮询方案
static int next = 0;
int channel = next;
next++;
next %= n;
return channel;
}
void SendTaskCommond(Channel& channel , int TaskCommand )
{
//写入对应信息
write(channel.GetWfd() , &TaskCommand , sizeof(TaskCommand));
}
void CtrlProcessOnce(std::vector<Channel>& channel)
{
//选择一个任务
int TaskCommand = SelectTask();
//选择一个进程与信道
int ChannelNum = SelectChannel(channel.size());
//发送信号
//测试
std::cout << "taskcommand: " << TaskCommand << " channel: "
<< channel[ChannelNum].GetName() << " sub process: " << channel[ChannelNum].GetId() << std::endl;
SendTaskCommond(channel[ChannelNum] ,TaskCommand);
}
我们写入之后，子进程就可以读取任务并执行，注意子进程读取只读4个字节！！！如果读取的个数不正确，那么就出现了错误，需要报错！！！
//子进程运行函数
void work(int rfd)
{
while(true)
{
int Commond = 0;
//等待相应
int n = read(rfd , &Commond , sizeof(Commond));
if(n == sizeof(int))
{
std::cout << "pid is : " << getpid() << " handler task" << std::endl;
//执行命令
std::cout << "commond :" << Commond << std::endl;
ExecuteTask(Commond);
}
//写端关闭
else if(n == 0)
{
std::cout << "sub Process:" << getpid() << std::endl;
break;
}
}
}
//...
//创建子进程
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
//子进程 --- 只读不写
close(pipefd[1]);
work(pipefd[0]);
close(pipefd[0]);
exit(0);
}
//...
进行一下测试：
成功执行任务！！！
3.4 ✨回收信道和子进程
由于子进程会继承父进程的数据，所以一个信道实际上会有多个写端，每个管道在创建子进程时会被拷贝，会多一份指向，如果直接遍历一遍关闭管道，等待子进程：
for(auto t : channel)
{
t.Close();
t.WaitSub();
}
存在BUG ！！！ 看图：
这样在如果按照正常的遍历关闭管道的写端描述符，就只是关闭了父进程的，子进程中还要很多指向管道的写端描述符！！！这样管道不会被关闭，子进程什么也读取不到就会一直阻塞在读取上！就会导致父进程等待不到子进程退出！！！
于是就有了我们上面的改进：
void CleanUpChannel(std::vector<Channel>& channel)
{
for(auto t : channel)
{
t.Close();
}
for(auto t : channel)
{
t.WaitSub();
}
}
按照上面图中的规律：
- 最先创建的管道具有多个写端指向！
- 而最后创建的管道只有一个写端，关闭之后，子进程会读取到文件末尾，该子进程就会被释放，其指向其他管道的写端也就对应关闭了！！！这样就避免了阻塞！
然后最后同一起等待子进程的退出即可！！！
当然我们可以进行改进，让我们可以支持这样简单的操作！
for(auto t : channel)
{
t.Close();
t.WaitSub();
}
解决办法就是：在创建新的管道时，关闭子进程中指向其余管道的写端描述符！这样每个子进程就只有指向自己写端的文件描述符了！！！
//...
//创建子进程
pid_t id = fork();
if(id == 0)
{
//注意要改进bug
//如果管道数组不为空，此时需要关闭其他管道（防止多重指向）
if(!channel->empty())
{
for(auto& c : *channel) c.Close();
}
//子进程 --- 只读不写
close(pipefd[1]);
work(pipefd[0]);
close(pipefd[0]);
exit(0);
}
//...
这样就保证了每个子进程只有指向自己管道的文件描述符了！
4 ♻️总结
这样，我们的进程池项目就完成了。不过，实际上我们还可以进一步优化，比如优化 work 函数，将其设置为回调函数，以实现完全解耦。
尽管如此，目前的实现已经能够满足我们的项目需求。一个面向过程的进程池项目就此完成！！！
