【Linux】进程通信实战 —— 进程池项目

叫我龙翔

发布于 2024-05-26 10:23:39

520

发布于 2024-05-26 10:23:39

文章被收录于专栏：就业 C++ 综合学习就业 C++ 综合学习

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 <iostream>
#include <ctime>
#include <cstdlib>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

#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

首先关闭信道写端，这样子进程会自己退出，然后父进程等待子进程退出（wait等待子进程）不要出现僵尸进程！！！

注意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。为了不必要的错误，分开集中操作：先关闭所有写端，再等待所以子进程。

void CleanUpChannel(std::vector<Channel>& channel)
{
    for(auto t : channel)
    {
        t.Close();
    }
    for(auto t : channel)
    {
        t.WaitSub();
    }
}

测试一下：