Linux从0到1——进程池

news2024/9/21 2:40:59

Linux从0到1——进程池

  • 1. 进程池的概念
  • 2. 进程池实现思路
  • 3. 进程池的代码实现
    • 3.1 创建管道，创建子进程
    • 3.2 封装任务
    • 3.3 Work接口
    • 3.4 发送任务
    • 3.5 回收资源，关闭管道（重点）
    • 3.6 改造CreatChannels接口
  • 4. 完整代码

1. 进程池的概念

1. 池化技术：

  • 在古代，有一种建筑叫粮仓，用来储存粮食。人们一般会先把大量的粮食囤积在粮仓中，等到需要用粮食时，再从粮仓中一点一点的拿。相当于是先把粮食提前准备好，你需要的时候直接去拿就行了，不然的话每次用粮食前还要先去田里收割粮食。

2. 内存池：

  • 计算机中有很多的设计理念，都用到了池化技术。如内存池，当一个进程需要申请空间时，OS会一次性开辟好大量的空间，进程直接去使用这些空间即可。而不是每一次进程申请空间时，操作系统都要做开辟空间的动作，这样太低效了。

3. 进程池：

  • 如果我们每启动一个任务，就创建一个进程来完成这个任务，这样未免有些低效。我们可以将多个进程一次性开辟好，等任务来的时候，直接丢给开辟好的进程即可，省去了多次创建进程的时间开销。

2. 进程池实现思路

在这里插入图片描述

  • 一次性开辟多个管道和多个子进程，让每一个管道和子进程一一对应。

  • 父进程每次向管道中送入4字节int类型的数据，表示需要执行任务的任务码code，一旦管道中被放入了数据，意味着这个管道对应的子进程被激活，开始执行任务码对应的任务。

3. 进程池的代码实现

3.1 创建管道，创建子进程

1. 描述管道：

  • 为了管理我们创建的管道，需要为其创建对应的结构体来描述它，然后用一定的数据结构组织起来。
const int num = 5; // 最大管道数
int number = 0;    // 管道编号

class channel
{
public:
    channel(int fd, pid_t id)
        : ctrlfd(fd), workerid(id)
    {
        name = "channel-" + std::to_string(++number);
    }

public:
    int ctrlfd;         // 管道写端
    pid_t workerid;     // 对应的子进程pid
    std::string name;   // 管道名
};
  • 结构体中，需要记录管道的写端，以便将来父进程关闭。
  • 还需要记录对应的子进程pid，以便子进程退出后，wait处理子进程僵尸状态。

2. 创建管道，创建进程：

  • 介绍一下C++中规范的传参形式：
    • 输入型参数：const &
    • 输出型参数：*
    • 输入输出型参数：&
// 传参形式：
// 1. 输入参数：const &
// 2. 输出参数：*
// 3. 输入输出参数：&

void CreatChannels(std::vector<channel> *c)
{
    // bug version

    for (int i = 0; i < num; i++)
    {
        // 1. 定义并创建管道
        int pipefd[2];
        int n = pipe(pipefd);
        assert(n == 0);
        (void)n;

        // 2. 创建进程
        pid_t id = fork();
        assert(id != -1);

        // 3. 构建单向通信信道
        if (id == 0)
        {
            // child
            close(pipefd[1]); // 关闭写端
            // TODO
            dup2(pipefd[0], 0); // 重定向
            Work();
            exit(0);    // 会自动关闭自己打开的所有fd
        }

        // father
        close(pipefd[0]); // 关闭读端
        c->push_back(channel(pipefd[1], id));
    }
}

int main()
{
    std::vector<channel> channels;
    // 创建信道，创建进程
    CreatChannels(&channels);

    // ...

    return 0;
}
  • Work函数为将来子进程执行任务时要完成的模块。重定向操作执行后，每一个子进程中，fd为0的位置就指向读端。
  • 每建立一条管道，就将它放入数组中。这样，对管道的管理就变为了对数组的管理。

上面这种创建管道和进程的方式有一个很深层次的bug，我们到后面说。

3.2 封装任务

Task.hpp头文件：

#pragma once

#include <iostream>
#include <functional>
#include <vector>
#include <ctime>
#include <unistd.h>

typedef std::function<void()> task_t;

// 三个任务
void Download()
{
    std::cout << "我是一个下载任务" << " 处理者: " << getpid() << std::endl;
}

void PrintLog()
{
    std::cout << "我是一个打印日志的任务" << " 处理者: " << getpid() << std::endl;
}

void PushVideoStream()
{
    std::cout << "我是一个推送视频流的任务" << " 处理者: " << getpid() << std::endl;
}


class Init
{
public:
    // 任务码
    const static int g_download_code = 0;
    const static int g_printlog_code = 1;
    const static int g_push_videostream_code = 2;
    // 任务集合
    std::vector<task_t> tasks;
public:
    Init()
    {
        tasks.push_back(Download);
        tasks.push_back(PrintLog);
        tasks.push_back(PushVideoStream);

        srand(time(nullptr) ^ getpid());    // ^getpid(),让数据更有随机性
    }

    // 检查任务码是否安全
    bool CheckSafe(int code)
    {
        if (code >= 0 && code < tasks.size()) return true;
        else return false;
    }

	// 执行任务
    void RunTask(int code)
    {
        tasks[code]();
    }

	// 选择任务
    int SelectTask()
    {
        // 返回随机任务码
        return rand() % tasks.size();
    }

	// 返回任务码对应的任务
    std::string ToDesc(const int &code)
    {
        switch(code)
        {
            case g_download_code:
                return "Download";
            case g_printlog_code:
                return "PrintLog";
            case g_push_videostream_code:
                return "PushVideoStream";
            default:
                return "Unknow";
        }
        return "";
    }
};

Init init;  // 定义对象
  • 定义了三条任务，即这三条任务对应的任务码。
  • 定义了一个Init类来封装这些任务，以及提供对应的接口。
  • 这里我们采取随机选择任务的设计，实际应用中会有所不同。三个任务也只是象征性的模拟一下，并不是具体的下载，打印日志，推送视频流任务。

3.3 Work接口

不断从管道中读取任务码，执行对应的任务。直到写端关闭。

void Work()
{
    while (true)
    {
        int code = 0;   // 任务码
        ssize_t n = read(0, &code, sizeof(code));
        if (n == sizeof(code))
        {
            if (!init.CheckSafe(code))
                continue;
            init.RunTask(code);
        }
        else if (n == 0)
        {
            // n == 0 写端退出
            break;
        }
        else
        {
            // do nothing
        }
    }
    
    std::cout << "child quit" << std::endl;
}

3.4 发送任务

  • 设计了标签g_always_loop来控制是否一直发送任务。true为一直发送，false为不是一直发送。传false要配合参数num，标明发送次数。
  • 轮巡式的向管道中发送信息。
const bool g_always_loop = true;    // 是否一直执行

void SendCommand(const std::vector<channel> &channels, bool flag, int num = -1)
{
    int pos = 0;
    while (true)
    {
        // 1. 选择任务
        int command = init.SelectTask();
        // 2. 选择信道(进程)
        const auto &c = channels[pos++];
        pos %= channels.size();

        // debug
        std::cout << "send command " << init.ToDesc(command) << "[" << command << "]" 
                  << " in" << c.name << "worker is: " << c.workerid << std::endl;

        // 3. 发送任务
        write(c.ctrlfd, &command, sizeof(command));
        // 4. 判断是否要退出
        if (!flag)
        {
            num--;
            if (num <= 0) break;
        }

        sleep(1);
    }

    std::cout << "SendCommand done..." << std::endl;
}

int main()
{
    std::vector<channel> channels;
    // 创建信道，创建进程
    CreatChannels(&channels);

    // 开始发送任务
    SendCommand(channels, !g_always_loop, 10);

	// ...

    return 0;
}

3.5 回收资源，关闭管道（重点）

1. 版本1：

  • 这种版本为，先将写端全部关闭，再回收子进程，自动关闭读端，循环两次。该版本不会出bug。
  • 原理是，写端关闭后，Work模块中read会读到0，子进程就会执行到exit退出。
void ReleaseChannels(const std::vector<channel> &channels)
{
    // version1
    for (const auto &c : channels)
    {
        close(c.ctrlfd);
    }

    for (const auto &c : channels)
    {
        pid_t rid = waitpid(c.workerid, nullptr, 0);
        if (rid == c.workerid)
        {
            std::cout << "wait child: " << c.workerid << " success" << std::endl;
        }
    }
}

int main()
{
    std::vector<channel> channels;
    // 创建信道，创建进程
    CreatChannels(&channels);

    // 开始发送任务
    SendCommand(channels, !g_always_loop, 10);

    // 回收资源，想让子进程退出，并且释放管道资源，只要关闭写端即可(写端关闭后，子进程自动退出)
    ReleaseChannels(channels);

    return 0;
}

2. 会出现bug的版本：

  • 关闭一个写端，就关闭对应的读端，循环一次。
  • 这种版本会出现bug，现象就是会在发送任务完成时卡死。
void ReleaseChannels(const std::vector<channel> &channels)
{
    // bug version
    for (const auto &c : channels)
    {
        close(c.ctrlfd);
        pid_t rid = waitpid(c.workerid, nullptr, 0);
        if (rid == c.workerid)
        {
            std::cout << "wait child: " << c.workerid << " success" << std::endl;
        }
    }
}

在这里插入图片描述

3. 分析bug出现的原因：

在这里插入图片描述

  • 这个bug要追溯到创建管道的模块。首先，如果以我们之前的方式创建管道和进程，那么在创建第二个管道时，子进程拷贝父进程struct files_struct结构体，将上一个管道的写端也拷贝下来了。此时，第一个管道就会有两个写端。
  • 以此类推，在创建第三个管道时，子进程又将父进程的struct files_struct结构体继承下来了。第一个管道就会有三个写端，第二个管道会有两个写端。
  • 此时如果从第一个管道开始关闭管道，回收子进程，就会出现，第一个管道只关闭了一个写端，read无法读取到0，子进程在read处阻塞的情况。
  • 版本1之所以不会出现bug，是因为，最后一个管道只有一个写端，将父进程对应的写端一次性全部关闭后，最后一个进程就没有写端了，最后一个子进程就会退出。最后一个子进程退出了，倒数第二个管道也就没有写端了，倒数第二个子进程也要跟着退出。从后向前，管道和子进程资源依次释放。

2. 版本2：

  • 根据上面分析的bug出现原因，我们只需要从后向前关闭管道即可。
void ReleaseChannels(const std::vector<channel> &channels)
{
    // version2
    int num = channels.size() - 1;
    for (; num >= 0; num--)
    {
        close(channels[num].ctrlfd);
        pid_t rid = waitpid(channels[num].workerid, nullptr, 0);
        if (rid == channels[num].workerid)
        {
            std::cout << "wait child: " << channels[num].workerid << " success" << std::endl;
        }
    }
}

在这里插入图片描述

3.6 改造CreatChannels接口

通过3.5的讲解，我们是可以从后向前关闭管道，来解决卡死的问题。但是，这毕竟不是问题的本质，我们期望的管道是单向通信的，也就是只有一个写端和一个读端，出现一个管道多个写端的情况，不是我们想看到的。

所以，我们可以在创建管道时，提前记录一下子进程都从父进程继承下来了哪些写端，然后让子进程将这些写端关闭。

void CreatChannels(std::vector<channel> *c)
{
    std::vector<int> old;
    for (int i = 0; i < num; i++)
    {
        // 1. 定义并创建管道
        int pipefd[2];
        int n = pipe(pipefd);
        assert(n == 0);
        (void)n;

        // 2. 创建进程
        pid_t id = fork();
        assert(id != -1);

        // 3. 构建单向通信信道
        if (id == 0)
        {
            // child

            // 关闭从父进程继承下来的写端
            if (!old.empty())
            {
                for (auto fd : old)
                {
                    close(fd);
                }
                // debug
                PrintFd(old);
            }

            close(pipefd[1]); // 关闭写端
            // TODO
            dup2(pipefd[0], 0); // 重定向
            Work();
            exit(0);    // 会自动关闭自己打开的所有fd
        }

        // father
        close(pipefd[0]); // 关闭读端
        c->push_back(channel(pipefd[1], id));
        old.push_back(pipefd[1]);
    }
}
  • 这样一来，问题就解决了，回收资源时使用3.5中的bug版本也没有问题。可以说，那个bug版本才是逻辑最恰当的版本。

4. 完整代码

1. Task.hpp头文件：

#pragma once

#include <iostream>
#include <functional>
#include <vector>
#include <ctime>
#include <unistd.h>

typedef std::function<void()> task_t;

void Download()
{
    std::cout << "我是一个下载任务" << " 处理者: " << getpid() << std::endl;
}

void PrintLog()
{
    std::cout << "我是一个打印日志的任务" << " 处理者: " << getpid() << std::endl;
}

void PushVideoStream()
{
    std::cout << "我是一个推送视频流的任务" << " 处理者: " << getpid() << std::endl;
}


class Init
{
public:
    // 任务码
    const static int g_download_code = 0;
    const static int g_printlog_code = 1;
    const static int g_push_videostream_code = 2;
    // 任务集合
    std::vector<task_t> tasks;
public:
    Init()
    {
        tasks.push_back(Download);
        tasks.push_back(PrintLog);
        tasks.push_back(PushVideoStream);

        srand(time(nullptr) ^ getpid());    // ^getpid(),让数据更有随机性
    }

    // 检查任务码是否安全
    bool CheckSafe(int code)
    {
        if (code >= 0 && code < tasks.size()) return true;
        else return false;
    }

    // 执行任务
    void RunTask(int code)
    {
        tasks[code]();
    }

    int SelectTask()
    {
        // 返回随机任务码
        return rand() % tasks.size();
    }

    // 返回任务码对应的具体任务
    std::string ToDesc(const int &code)
    {
        switch(code)
        {
            case g_download_code:
                return "Download";
            case g_printlog_code:
                return "PrintLog";
            case g_push_videostream_code:
                return "PushVideoStream";
            default:
                return "Unknow";
        }
        return "";
    }
};

Init init;  // 定义对象

2. ProcessPool.cc文件：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <cassert>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include "Task.hpp"

const int num = 5; // 最大管道数
int number = 0;    // 管道编号

class channel
{
public:
    channel(int fd, pid_t id)
        : ctrlfd(fd), workerid(id)
    {
        name = "channel-" + std::to_string(++number);
    }

public:
    int ctrlfd;         // 管道写端
    pid_t workerid;     // 对应的子进程pid
    std::string name;   // 管道名
};

void Work()
{
    while (true)
    {
        int code = 0;   // 任务码
        ssize_t n = read(0, &code, sizeof(code));
        if (n == sizeof(code))
        {
            if (!init.CheckSafe(code))
                continue;
            init.RunTask(code);
        }
        else if (n == 0)
        {
            // n == 0 写端退出
            break;
        }
        else
        {
            // do nothing
        }
    }
    std::cout << "child quit" << std::endl;
}

// 打印都关闭了哪些从父进程继承下来的写端
void PrintFd(const std::vector<int> &fds)
{
    std::cout << getpid() << " close: ";
    for (auto fd : fds)
    {
        std::cout << fd << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

// 传参形式：
// 1. 输入参数：const &
// 2. 输出参数：*
// 3. 输入输出参数：&

void CreatChannels(std::vector<channel> *c)
{
    std::vector<int> old;
    for (int i = 0; i < num; i++)
    {
        // 1. 定义并创建管道
        int pipefd[2];
        int n = pipe(pipefd);
        assert(n == 0);
        (void)n;

        // 2. 创建进程
        pid_t id = fork();
        assert(id != -1);

        // 3. 构建单向通信信道
        if (id == 0)
        {
            // child

            // 关闭从父进程继承下来的写端
            if (!old.empty())
            {
                for (auto fd : old)
                {
                    close(fd);
                }
                // debug
                PrintFd(old);
            }

            close(pipefd[1]); // 关闭写端
            // TODO
            dup2(pipefd[0], 0); // 重定向
            Work();
            exit(0);    // 会自动关闭自己打开的所有fd
        }

        // father
        close(pipefd[0]); // 关闭读端
        c->push_back(channel(pipefd[1], id));
        old.push_back(pipefd[1]);
    }

    // bug version

    // for (int i = 0; i < num; i++)
    // {
    //     // 1. 定义并创建管道
    //     int pipefd[2];
    //     int n = pipe(pipefd);
    //     assert(n == 0);
    //     (void)n;

    //     // 2. 创建进程
    //     pid_t id = fork();
    //     assert(id != -1);

    //     // 3. 构建单向通信信道
    //     if (id == 0)
    //     {
    //         // child
    //         close(pipefd[1]); // 关闭写端
    //         // TODO
    //         dup2(pipefd[0], 0); // 重定向
    //         Work();
    //         exit(0);    // 会自动关闭自己打开的所有fd
    //     }

    //     // father
    //     close(pipefd[0]); // 关闭读端
    //     c->push_back(channel(pipefd[1], id));
    // }
}

void PrintfDebug(const std::vector<channel> &c)
{
    for (const auto &channel : c)
    {
        std::cout << channel.name << ", " << channel.ctrlfd << ", " << channel.workerid << std::endl;
    }
}

const bool g_always_loop = true;    // 是否一直执行

void SendCommand(const std::vector<channel> &channels, bool flag, int num = -1)
{
    int pos = 0;
    while (true)
    {
        // 1. 选择任务
        int command = init.SelectTask();
        // 2. 选择信道(进程)
        const auto &c = channels[pos++];
        pos %= channels.size();

        // debug
        std::cout << "send command " << init.ToDesc(command) << "[" << command << "]" 
                  << " in" << c.name << "worker is: " << c.workerid << std::endl;

        // 3. 发送任务
        write(c.ctrlfd, &command, sizeof(command));
        // 4. 判断是否要退出
        if (!flag)
        {
            num--;
            if (num <= 0) break;
        }

        sleep(1);
    }

    std::cout << "SendCommand done..." << std::endl;
}

void ReleaseChannels(const std::vector<channel> &channels)
{
    // version2
    // int num = channels.size() - 1;
    // for (; num >= 0; num--)
    // {
    //     close(channels[num].ctrlfd);
    //     pid_t rid = waitpid(channels[num].workerid, nullptr, 0);
    //     if (rid == channels[num].workerid)
    //     {
    //         std::cout << "wait child: " << channels[num].workerid << " success" << std::endl;
    //     }
    // }

    // version1
    // for (const auto &c : channels)
    // {
    //     close(c.ctrlfd);
    // }

    // for (const auto &c : channels)
    // {
    //     pid_t rid = waitpid(c.workerid, nullptr, 0);
    //     if (rid == c.workerid)
    //     {
    //         std::cout << "wait child: " << c.workerid << " success" << std::endl;
    //     }
    // }

    // bug version
    for (const auto &c : channels)
    {
        close(c.ctrlfd);
        pid_t rid = waitpid(c.workerid, nullptr, 0);
        if (rid == c.workerid)
        {
            std::cout << "wait child: " << c.workerid << " success" << std::endl;
        }
    }
}

int main()
{
    std::vector<channel> channels;
    // 创建信道，创建进程
    CreatChannels(&channels);

    // 开始发送任务
    SendCommand(channels, !g_always_loop, 10);
    
    // PrintfDebug(channels);
    // sleep(10);

    // 回收资源，想让子进程退出，并且释放管道资源，只要关闭写端即可(写端关闭后，子进程自动退出)
    ReleaseChannels(channels);

    return 0;
}

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