Shell 实现多任务并发的示例代码

实现思路

实现一个shell进程库，通过类似于init，run，wait几个简单的命令，就可以迅速实现多进程并发，伪码如下：

process_init # 创建进程
for city in ${cities[*]}
do
    cmd="handler $city"
    process_run $cmd 
done
process_wait # 等待进程

原理解析

在实现C++线程库的时候，通常会有一个任务队列，线程从队列中取任务并运行。在实现shell进程库的时候，采用了类似原理，通过一个有名管道充当任务队列。严格来说，并不是一个任务队列，而是一个令牌桶。进程从桶中取得令牌后才可以运行，运行结束后将令牌放回桶中。没有取得令牌的进程不能运行。令牌的数目即允许并发的最大进程数。

管道

主要思路：通过mkfifo创建一个有名管道，将管道与一个文件描述符绑定，通过往管道中写数据的方式，控制进程数量。

function _create_pipe()
{
    _PROCESS_PIPE_NAME=$(_get_uid)
    mkfifo ${_PROCESS_PIPE_NAME}
    eval exec "${_PROCESS_PIPE_ID}""<>${_PROCESS_PIPE_NAME}"
    for ((i=0; i < $_PROCESS_NUM; i++))
    do
        echo -ne "\n" 1>&${_PROCESS_PIPE_ID}
    done
}

exec

exec fd <  file  #以读方式打开文件，并关联文件描述符fd
exec fd >  file  #以写方式打开文件，并关联文件描述符fd
exec fd <> file  #以读写方式打开文件，并关联文件描述符

# 测试
exec 8>file
echo "hello word!" 1>&8

eval

为了让程序有一定的扩展性，不想写死fd，因而引入了变量。

file_fd=8
exec ${file_fd}>file

# 测试
bash test.sh
test.sh: line 7: exec: 8: not found

原因：shell在重定向操作符(<、>)左边不进行变量展开。因而引入eval命令，强制shell进行变量展开。
eval exec "${fd}>file"简单的说，eval将右边参数整体作为一个命令，进行变量的替换，然后将替换后的输出结果给shell去执行。

进程关系

命令执行

function process_run()
{
    cmd=$1
    if [ -z "$cmd" ]; then
        echo "please input command to run"
        _delete_pipe    
        exit 1
    fi
    _process_get
    {
        $cmd
        _process_post
    }&
}

_process_get从管道中取得一个令牌，创建一个进程执行任务，任务执行完毕后，通过_process_post将令牌放回管道。

进程创建

chengsun@153_92:~/test> bash process_util.sh
chengsun@153_92:~/test> pstree -a
|`-sshd
|    |-bash
|    |   `-bash process_util.sh         #爷爷
|    |       |-bash process_util.sh     #爸爸
|    |       |   `-a.out                #儿子
|    |       |-bash process_util.sh        
|    |       |   `-a.out                   
|    |       `-bash process_util.sh
|    |           `-a.out

脚本运行后，通过pstree命令，得到如上父子进程关系。稍微做一下解释：当运行脚本bash process_util.sh的时候，创建一个shell进程，相当于爷爷被创建起来，而遇到{ command1; command2 } &时，shell 又创建一个子shell进程（爸爸进程）处理命令序列；而对于每一个外部命令，shell都会创建一个子进程运行该命令，即儿子进程被创建。

困惑：为什么处理{ command1; command2; } &需要单独创建子进程？
按照bash manual说法，{ list }并不会创建一个新的shell来运行命令序列。但由于加入&，代表将命令族放入后台执行，就必须新开subshell，否则shell会阻塞。

进程组

chengsun@153_92:~/test> ps -f -e -o pid,ppid,pgid,comm
 PID  PPID  PGID  COMMAND
24904 21976 24904 bash
19885 24904 19885  \_ bash            # 爷爷
19893 19885 19885      \_ bash        # 爸爸
19894 19893 19885      |   \_ a.out   # 儿子
19895 19885 19885      \_ bash
19896 19895 19885      |   \_ a.out
19897 19885 19885      \_ bash
19898 19897 19885          \_ a.out

Shell 将运行process_util的一堆进程置于一个进程组中。其中爷爷进程作为该进程组的组长，pid == pgid。

wait

wait pid:阻塞等待某个进程结束；如果没有指定参数，wait会等待所有子进程结束。

清理函数

允许任务通过CTRL+C方式提前结束，因而需要清理函数

信号

trap
类似C语言signal函数，为shell脚本注册信号处理函数。trap arg signals，其中signals为注册的信号列表，arg为收到信号后执行某个命令。

function Print
{
    echo "Hello World!"
}
trap Print SIGKILL

kill
kill 命令给进程或进程组发送信号；kill pid 给进程发送默认信号SIGTERM, 通知程序终止执行。

void sig_handler(int signo)
{
    printf("sigterm signal\n");
}
int main()
{
    signal(SIGTERM, sig_handler);
    sleep(100);
    return 0;
}

chengsun@153_92:~/test> ./a.out &
[1] 19254
chengsun@153_92:~/test> kill 19254
sigterm signal

kill 0：给当前进程组发送默认信号SIGTERM

chengsun@153_92:~/test> man kill
0  All processes in the current process group are signaled.

清理

function _clean_up
{
    # 清理管道文件
    _delete_pipe
    kill 0
    kill -9 $$
}
trap _clean_up SIGINT SIGHUP SIGTERM SIGKILL

kill -9 $$ 非常重要

实际上，最上层是爷爷进程，当发送Ctrl + C命令的时候，爷爷进程捕获SIGINT信号，调用_clean_up函数。爷爷进程对整个进程组发送SIGTERM信号，并调用kill -9结束自己。爸爸进程接收SIGTERM信号，同时也发送SIGTERN给整个进程组，如果没有kill -9，爸爸进程始终无法结束，进入无限递归环节。儿子为CPP二进制程序，内部没有捕获SIGTERM，该信号默认动作是结束进程。

使用范例

# file: run.sh
#!/bin/sh
#load process library
source ./process_util.sh
function handler()
{
    city=$1
    ./main ${city}
}
process_init 23
for city in $cities
do
    cmd = "handler $city"
    process_run "$cmd"
done
process_wait

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