【Linux】匿名管道的应用场景 --- 进程池

news2024/12/24 22:05:59

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前言

本篇博客不会对代码有非常详细的解析，但是只要你看完这篇博客（点击跳转），然后再来看这篇，我保证跟看小说一样 ~

前言
一、池化技术
二、设计思路
三、代码实现之管理管道
四、代码实现之创建子进程和初始化管道字段
五、代码实现之任务列表
六、代码实现之发布任务
七、代码实现之读取任务
八、代码实现之菜单版
九、代码实现之子进程回收
十、一个隐藏bug
十一、相关代码

一、池化技术

不知道大家有没有听过xx池（如内存池等），这些池其实统称池化技术。

以内存池为例，比方说有一个偏远的村庄，这个村庄离河边有一定距离，那么村民需要水的时候就跑去河边打水，可是每次需要水的时候就去打未免效率太低了。因此，村民可以提前打完一周所需要的用水。

因此，可以将村民看作是程序，而水则是内存。在没有内存池的情况下，程序每次需要内存时都需要向操作系统申请，而频繁进行系统调用是有成本的，就像村民每次需要水都要跑去河边打水一样，效率较低。而有了内存池，就像村民提前打好一周的水存放在家里一样，程序在启动时就预先分配了一定量的内存，并将其存放在内存池中。当程序需要内存时，就直接从内存池中获取，而不是每次都向系统请求，这样可以减少内存分配的开销和系统的负担，提高程序的运行效率。

因此，不管是xx池，这些池化技术的共同特点是：通过提前分配一定数量的资源并在需要时复用这些资源，来提高系统的性能和效率。

进程池是一种并发编程中常用的技术，特别是在需要处理大量任务的情况下。它类似于内存池的概念，想象一下有很多任务需要处理，而每个任务都需要独立的进程来执行。如果每次都创建一个新的进程来处理任务（如创建进程控制块、进程地址空间等），会增加系统开销和资源消耗，特别是在任务量大的情况下。这时，就可以使用进程池。

进程池在程序启动时就会创建一定数量的进程，并将它们保存在池中。当有任务需要执行时，就从池中获取一个空闲的进程来处理任务，任务执行完毕后，该进程不会被销毁，而是返回到池中，等待下一个任务的到来。这样可以避免频繁创建和销毁进程的开销，提高系统的性能和效率。

二、设计思路

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首先我们可以通过父进程bash，来提前创建好若干个子进程。接下来为了让父进程和这些子进程建立联系，在父进程和子进程之间设计匿名管道，父进程下达任务数据到管道中，再由子进程接收任务并执行。

三、代码实现之管理管道

为了让子进程和父进程建立可靠的数据传输通道，应该要对管道进行管理。那么就要先描述，再组织。

描述管道的字段有：

_cmdfd：父进程需要向哪个管道发送任务，因此需要知道各管道的写端，即文件描述符。
_sonid：当父进程将任务发送到管道中时，子进程可以通过自己的pid来确定是否是自己需要执行的任务。

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四、代码实现之创建子进程和初始化管道字段

我们可以封装一个函数创建子进程，并且初始化子进程对应的管道字段。具体代码如下：

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传参的小技巧

输入型参数：用于传递数据给函数，但形参的改变不用影响实参 -> const&
输出型参数：形参改变要影响实参，当函数被调用时，输出型参数可以不初始化 -> *
输入输出型参数：和输出型参数的区别是 -> 这些参数在函数调用前需要被初始化 -> &

我们可以通过打印的方式来来验证是否真的创建成功了

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【程序结果】

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五、代码实现之任务列表

新建一个文件名为tasks.hpp，里面用来存放任务的实现。具体代码如下：

补充：.hpp是c++常见的头文件。该文件中通常会包含类的定义、模板类和函数的实现，即定义和声明不分离。

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六、代码实现之发布任务

父进程需要发布任务给进程池中的任意一个进程，需要经历以下步骤：

选择任务。这里我们可以这样规定：我使用一个数据结构（如vector）管理任务列表，然后父进程可以通过随机选取任务列表中的下标，我们可以称为任务码。最后将这个任务码发送给子进程，让子进程来执行任务码对应的任务。
选择进程：我们可以随机选取进程池中的任意一个进程来执行。
发布任务：将任务码写入到管道文件中

首先我们需要将任务列表中的所有任务用一种数据结构管理起来，这里就以vector为例

C++标准库中的 <functional> 头文件提供了一组模板类和函数，用于实现函数对象（包括函数指针）的封装、组合和操作

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接下来我们需要控制任意一个进程来执行任务

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七、代码实现之读取任务

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【程序结果】

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八、代码实现之菜单版

我们只需要修改【发布任务】的代码即可实现

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【程序结果】

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九、代码实现之子进程回收

如上菜单所示，当程序退出的时候，可以选择将子进程回收

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【程序结果】

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十、一个隐藏bug

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当我们的父进程创建子进程的时候，因为我们用的是循环的方式，所以导致父进程每创建一个子进程，那么下一个进程就会继承上一个管道的写端。这样子进程之间也可以相互进行通信了。

那有什么问题呢？我们上面代码都跑的好好的呀！但如果你写出以下代码，就是一个bug了

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【程序结果】

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为什么会阻塞呢？

在关闭第一个进程的时候，我们先是将写端关闭，那么对应的读端的read函数就会返回0，表示可以退出通信了。退出通信后代码就要开始回收第一个进程。可是，第二个进程甚至后面的进程都继承了这个写端（写端没关完），那么操作系统还是认定系统还在通信，那么read函数就不会返回0，可是我们在关闭文件描述符后，紧接就要回收这第一个进程了，可是第一个进程还在通信，并没有退出，那么系统就要等待它退出，所以就阻塞了。