进程池的制作（linux进程间通信，匿名管道... ...）
一、进程间通信的理解
1.为什么进程间要通信
首先进程之间是相互独立的，尽管是父子进程之间，它们虽然资源共享，但当子进程需要修改数据时仍然需要进行写时拷贝，保持独立性。
而让进程间通信可以实现数据之间的交互，资源共享，事件通知，又或者是让一个进程对另一个进程进行控制。
进程间通信是操作系统中实现进程间协作和数据交换的重要机制，它使得多个进程能够共同完成任务，提高系统的效率和可靠性。
2.如何进行通信
进程间通信的原理其实很简单，只需要两个进程共同访问一个资源，而一个进程对资源的更改能被另一进程感知到，从而做出相应的操作。
所以通信的前提是进程之间能够访问同一个资源，而且该资源是公共的，而不是某进程内部的。
二、匿名管道
1.管道的理解
我们把进程之间通信的介质（资源）叫作管道。开发者在设计管道技术时文件系统已经比较成熟，所以为了方便管理该资源就使用文件来实现，而对文件的读写就是通信的过程，但它与一般的文件还是有些区别，文件都是储存到磁盘上的，而进程之间通信用的文件并不需要把它储存到磁盘上，它只是作为一个传输介质。
它比较特殊，所以起名为管道。管道其实是一个内存级的文件。
注意：父子进程之间的管道叫作匿名管道，顾名思义就是没有名字，也不需要名字，因为子进程能够继承下来父进程开辟的管道资源。
2.匿名管道的使用
创建匿名管道常用的接口是：
int pipe(int pipefd[2]);
需要包含头文件：
#include<unistd.h>
- 返回值：创建成功返回0，失败返回-1
- 参数：这个是一个输出型参数，传入一个int类型长度为2的数组，然后得到pipefd[0]：以读的方式打开的文件描述符，pipefd[1]：以写的方式打开的文件描述符。
示例：
代码语言：javascript
AI代码解释
#include <iostream> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main() { int pipefd[2]; pipe(pipefd); int rfd = pipefd[0],wfd = pipefd[1]; pid_t id = fork(); if(id == 0) { close(wfd);//关闭子进程的写文件，只让它读 int k=0; while(true) { read(rfd,&k,sizeof(k)); printf("read:%d\n",k); } } else { close(rfd);//关闭父进程的读文件，只让它写。 int num=0; while(true) { write(wfd,&num,sizeof(num)); num++; sleep(1); } } return 0; }因为只是一个小测试，代码写的并不严谨（没有检查调用是否成功，没有关闭文件，没有进程等待）大家不用太在意，能说明问题就行。
要记住pipefd[2]中哪个是读哪个是写有一个小技巧，0像嘴巴，所以下标为0的是读，1像钢笔，所以1下标是写。
3.管道的五种特性
- 匿名管道，只能用来进行具有血缘关系的进程间通信（用于父与子）。
- 管道文件，自带同步机制。如上代码示例，父进程写一次休眠一秒，而子进程是一直不断地读，快的一端会迁就于慢的一端，最后实现同步。
- 管道是面向字节流的。怎么读与怎么写并没有联系，比如写入“hello world”，但可能读到“hel”，这取决于你要读多少字节。
- 管道是单向通信的。也就是a（表示进程）写的时候b读。b写的时候a在读。而不是既在写同时也在读。
- 管道（文件）的生命周期是随进程的。进程结束管道也随之销毁。
4.管道的四种通信情况
- 写慢，读快 --- 读端就要阻塞（等待写端写入）。
- 写快，读慢 --- 到管道容量满了后，写端就要阻塞（等待读端读取数据，然后就可以覆盖式地继续往管道写入）。
- 写关闭，读继续 --- read就会返回0，表示文件结尾。
- 写继续，读关闭 --- 写端不再有意义，系统会杀掉写端进程。
5.管道缓冲区容量
管道缓冲区容量为64kb，大家可以根据管道的性质与通信特点，自行进行测试，我这里就不再展示。
三、进程池
1.进程池的理解
在程序使用内存的时候，比如vector扩容机制，会提前给你开辟一块空间供你使用，尽管现在用不到，相当于做一下预备。减少开辟空间的频次，从而达到提高效率的效果。
那么进程池也同样，给父进程提前开辟一些子进程，提供父进程使用。其中我们使用匿名管道建立联系。
在父进程给子进程派发任务时，为了提高效率会让每个子进程均匀地分配到任务（称为负载均匀），而不是把大部分的任务都派发到一个子进程上，通常会有以下策略：
- 轮询：按顺序一一分配。
- 随机：随机进行分配。
- 负载因子：设计一个负载因子，让子进程按负载因子的大小排成一个小根堆，每次取出堆头的子进程派发任务，然后更新负载因子插回到堆中。
2.进程池的制作
在面向对象的编程中最重要的就是对对象的描述与组织，这里我们的核心就是对管道进行管理。那么首先需要一个类对管道进行描述。
代码语言：javascript
AI代码解释
class Channel { public: Channel(int wfd, int id) : _wfd(wfd), _id(id) {} //... ... ~Channel() {} private: int _wfd; int _id; };_wfd是该管道对应写端的fd，_id是该管道对应的子进程的pid。
这里我们不必把rfd（读端fd）加入，因为我们现在对管道的描述组织，目的是方便父进程管理，而rfd是给子进程用的，所以不用添加为变量。
这里我们就以轮询的方式派发任务，刚才创建的Channel相当于对管道的描述，接下来创建ChannelManage进行组织。这里选择使用数组来管理，派发任务方式选择轮询，所以需要记录下一个需要派发到的管道的下标。
代码语言：javascript
AI代码解释
class ChannelManage { public: ChannelManage():_next(0) {} //... ... ~ChannelManage() {} private: vector<Channel> _channels; int _next; };接下来还需要创建一个类对整体的进程池做管理。
代码语言：javascript
AI代码解释
class ProcessPool { public: ProcessPool(int num) : _n(num) {} // ... ... ~ProcessPool() {} private: ChannelManage _cm; int _n; };其中_n表示需要创建多少子进程，这是由使用者来决定的。
在ProcessPool中我们准备实现这些方法
- void Create()：用于创建子进程。
由于我们是要生成多个通道所以需要循环来进行，而单趟循环需要做以下这些操作： 1.创建管道，然后创建子进程。（这样能让子进程继承到管道信息） 2.关于子进程：写端关闭，然后执行Work()，最后把读端关闭，并exit退出。 3.关于父进程：读端关闭，然后把wfd，pid存入_cm中。
- void Work(int rfd)：用于子进程读取任务码并执行命令。
- void Run()：用于获取并派发任务。
- void Stop()：用于关闭写端并回收子进程。
最后为方便测试我们还需要一个管理任务的类和方法。我们可以单独创建一个Task.hpp文件。
代码语言：javascript
AI代码解释
class TaskManage { public: TaskManage() { //随机数种子 srand((unsigned int)time(nullptr)); } int GetCode() { //随机生成任务码（数组下标） return rand()%_tasks.size(); } void ExeTask(int code) { //执行任务 _tasks[code](); } // ... ... ~TaskManage() {} private: vector<function<void()>> _tasks;//用于储存任务的数组 };然后需要在ProcessPool中放入TaskManage成员变量，并在ProcessPool的构造函数中完成对_tasks中内容的插入。具体操作参考下面源码。
四、源码
1.ProcessPool.hpp
代码语言：javascript
AI代码解释
#pragma once #include <iostream> #include <unistd.h> #include <cstdio> #include <sys/wait.h> #include <vector> #include "Task.hpp" #define NUM 5 using namespace std; class Channel { public: Channel(int wfd, int id) : _wfd(wfd), _id(id) {} void Write(int code) { write(_wfd,&code,sizeof(code)); } void Close() { close(_wfd); } void WaitPid() { waitpid(_id,nullptr,0); cout<<"等待进程"<<_id<<"成功"<<endl; } ~Channel() {} private: int _wfd; int _id; }; class ChannelManage { public: ChannelManage():_next(0) {} void Insert(int wfd, int id) { _channels.emplace_back(wfd, id); } int GetChannel()//轮询访问子进程 { int tmp = _next; _next++; _next %= _channels.size(); return tmp; } void WriteManage(int code,int index) { _channels[index].Write(code); } void Close() { for(int i=0;i<_channels.size();i++) { _channels[i].Close(); } } void WaitPid() { for(int i=0;i<_channels.size();i++) { _channels[i].WaitPid(); } } ~ChannelManage() {} private: vector<Channel> _channels; int _next; }; class ProcessPool { public: ProcessPool(int num) : _n(num) { _tm.InsertTask(PrintLog); _tm.InsertTask(Download); _tm.InsertTask(Upload); } void Work(int rfd) { while (true) { int code; ssize_t n = read(rfd, &code, sizeof(code)); if (n > 0) { if(n != sizeof(code)) continue; else { //执行任务 _tm.ExeTask(code); } } else { cout<<"子进程"<<getpid()<<"退出"<<endl; break; } } } void Create() { for (int i = 0; i < _n; i++) { int pipefd[2]; pipe(pipefd); pid_t id = fork(); if (id == 0) { close(pipefd[1]); Work(pipefd[0]); close(pipefd[0]); exit(0); } else { close(pipefd[0]); _cm.Insert(pipefd[1], id); } } } void Run() { int ChannelCode = _cm.GetChannel(); int TaskCode = _tm.GetCode(); _cm.WriteManage(TaskCode,ChannelCode); } void Stop() { _cm.Close(); _cm.WaitPid(); } ~ProcessPool() {} private: ChannelManage _cm; int _n; TaskManage _tm; };2.Task.hpp
代码语言：javascript
AI代码解释
#pragma once #include <iostream> #include <vector> #include <functional> #include <ctime> #include <cstdlib> using namespace std; void PrintLog() { std::cout << "我是一个打印日志的任务" << std::endl; } void Download() { std::cout << "我是一个下载的任务" << std::endl; } void Upload() { std::cout << "我是一个上传的任务" << std::endl; } class TaskManage { public: TaskManage() { srand((unsigned int)time(nullptr)); } void InsertTask(void(*fun)()) { _tasks.push_back(fun); } int GetCode() { return rand()%_tasks.size(); } void ExeTask(int code) { _tasks[code](); } ~TaskManage() {} private: vector<function<void()>> _tasks; };3.test.cc
代码语言：javascript
AI代码解释
#include "ProcessPool.hpp" int main() { ProcessPool pp(NUM); pp.Create(); int k = 10; while(k--) { pp.Run(); } pp.Stop(); return 0; }