Linux Shell多進程併發以及併發數控制

1. 基礎知識準備

1.1. linux後臺進程

Unix是一個多任務系統，允許多用戶同時運行多個程序。shell的元字符&提供了在後臺運行不需要鍵盤輸入的程序的方法。輸入命令後，其後緊跟&字符，該命令就會被送往到linux後臺執行，而終端又可以繼續輸入下一個命令了。
比如：

sh a.sh &
sh b.sh &
sh c.sh &

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這三個命令就會被同時送往linux後臺執行，在這個程度上，認爲這三個命令併發執行了。

1.2. linux文件描述符

文件描述符（縮寫fd）在形式上是一個非負整數。實際上，它是一個索引值，指向內核爲每一個進程所維護的該進程打開文件的記錄表。當程序打開一個現有文件或者創建一個新文件時，內核向進程返回一個文件描述符。每一個unix進程，都會擁有三個標準的文件描述符，來對應三種不同的流：

文件描述符	名稱
0	Standard Input
1	Standard Output
2	Standard Error

每一個文件描述符會對應一個打開文件，同時，不同的文件描述符也可以對應同一個打開文件；同一個文件可以被不同的進程打開，也可以被同一個進程多次打開。

在/proc/PID/fd中，列舉了進程PID所擁有的文件描述符，例如

#!/bin/bash
source /etc/profile;

# $$表示當前進程的PID</span>
PID=$$

# 查看當前進程的文件描述符指向
ll /proc/$PID/fd
echo "-------------------";echo

# 文件描述符1與文件tempfd1進行綁定
( [ -e ./tempfd1 ] || touch ./tempfd1 ) && exec 1<>./tempfd1

# 查看當前進程的文件描述符指向
ll /proc/$PID/fd
echo "-------------------";echo;

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[ouyangyewei@localhost learn_linux]$ sh learn_redirect.sh 
total 0
lrwx------. 1 ouyangyewei ouyangyewei 64 Jan  4 22:17 0 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 ouyangyewei ouyangyewei 64 Jan  4 22:17 1 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 ouyangyewei ouyangyewei 64 Jan  4 22:17 2 -> /dev/pts/0

lr-x——. 1 ouyangyewei ouyangyewei 64 Jan 4 22:17 255 -> /home/ouyangyewei/workspace/learn_linux/learn_redirect.sh

[ouyangyewei@localhost learn_linux]$ cat tempfd1
total 0
lrwx——. 1 ouyangyewei ouyangyewei 64 Jan 4 22:17 0 -> /dev/pts/0
lrwx——. 1 ouyangyewei ouyangyewei 64 Jan 4 22:17 1 -> /home/ouyangyewei/workspace/learn_linux/tempfd1
lrwx——. 1 ouyangyewei ouyangyewei 64 Jan 4 22:17 2 -> /dev/pts/0
lr-x——. 1 ouyangyewei ouyangyewei 64 Jan 4 22:17 255 -> /home/ouyangyewei/workspace/learn_linux/learn_redirect.sh
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上述的例子中第12行，將文件描述符1與文件tempfile進行了綁定，此後，文件描述符1指向了tempfile文件，標準輸出被重定向到了文件tempfile中。

1.3. linux管道

在Unix或類Unix操作系統中，管道是一個由標準輸入輸出鏈接起來的進程集合，因此，每一個進程的輸出將直接作爲下一個進程的輸入，

linux管道包含兩種：

• 匿名管道
• 命名管道

管道有一個特點，如果管道中沒有數據，那麼取管道數據的操作就會滯留，直到管道內進入數據，然後讀出後纔會終止這一操作；同理，寫入管道的操作如果沒有讀取管道的操作，這一動作就會滯留。

1.3.1. 匿名管道

在Unix或類Unix操作系統的命令行中，匿名管道使用ASCII中垂直線|作爲匿名管道符，匿名管道的兩端是兩個普通的，匿名的，打開的文件描述符：一個只讀端和一個只寫端，這就讓其它進程無法連接到該匿名管道。

例如：

cat file | less

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爲了執行上面的指令，Shell創建了兩個進程來分別執行cat和less。下圖展示了這兩個進程是如何使用管道的：

有一點值得注意的是兩個進程都連接到了管道上，這樣寫入進程cat就將其標準輸出（文件描述符爲fd 1）連接到了管道的寫入端，讀取進程less就將其標準輸入（文件描述符爲fd 0）連接到了管道的讀入端。實際上，這兩個進程並不知道管道的存在，它們只是從標準文件描述符中讀取數據和寫入數據。shell必須要完成相關的工作。

1.3.2. 命名管道（FIFO，First In First Out）

命名管道也稱FIFO，從語義上來講，FIFO其實與匿名管道類似，但值得注意：

• 在文件系統中，FIFO擁有名稱，並且是以設備特俗文件的形式存在的；
• 任何進程都可以通過FIFO共享數據；
• 除非FIFO兩端同時有讀與寫的進程，否則FIFO的數據流通將會阻塞；
• 匿名管道是由shell自動創建的，存在於內核中；而FIFO則是由程序創建的（比如mkfifo命令），存在於文件系統中；
• 匿名管道是單向的字節流，而FIFO則是雙向的字節流；

比如，可以利用FIFO實現單服務器、多客戶端的應用程序:

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有了上面的知識準備，現在可以開始講述，linux多進程併發時，如何控制每次併發的進程數。

2. linux多進程併發數控制

最近小A需要生產2015年全年的KPI數據報表，現在小A已經將生產腳本寫好了，生產腳本一次只能生產指定一天的KPI數據，假設跑一次生產腳本需要5分鐘，那麼：
* 如果是循環順序執行，那麼需要時間：5 * 365 = 1825 分鐘，約等於 6 天
* 如果是一次性放到linux後臺併發執行，365個後臺任務，系統可承受不住哦！

既然不能一次性把365個任務放到linux後臺執行，那麼，能不能實現自動地每次將N個任務放到後臺併發執行呢？當然是可以的啦。

#! /bin/bash
source /etc/profile;

# -----------------------------

tempfifo=$$.fifo        <span class="hljs-comment"># $$表示當前執行文件的PID
begin_date=$1           # 開始時間
end_date=$2             # 結束時間

if [ $# -eq 2 ] 
then
    if [ "$begin_date</span>"</span> \&amp;gt; <span class="hljs-string">"<span class="hljs-variable">$end_date" ]
    then
        echo "Error! $begin_date</span> is greater than <span class="hljs-variable">$end_date"
        exit 1;
    fi
else
    echo "Error! Not enough params."
    echo "Sample: sh loop_kpi 2015-12-01 2015-12-07"
    exit 2;
fi

# -----------------------------

trap "exec 1000>&-;exec 1000<&-;exit 0" 2
mkfifo $tempfifo
exec 1000<>$tempfifo
rm -rf $tempfifo

for ((i=1; i<=8; i++))
do
    echo >&1000
done

while [ $begin_date</span> != <span class="hljs-variable">$end_date ]
do
    read -u1000
    {
        echo $begin_date
        hive -f kpi_report.sql --hivevar date=$begin_date
        echo >&1000
    } &

    begin_date=`date -d "+1 day $begin_date" +"%Y-%m-%d"`
done

wait
echo "done!!!!!!!!!!"

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• 第6～22行：比如：sh loop_kpi_report.sh 2015-01-01 2015-12-01：
  
  • $1表示腳本入參的第一個參數，等於2015-01-01
  • $2表示腳本入參的第二個參數，等於2015-12-01
  • $#表示腳本入參的個數，等於2
  • 第13行用於比較傳入的兩個日期的大小，\>是轉義
• 第26行：表示在腳本運行過程中，如果接收到Ctrl+C中斷命令，則關閉文件描述符1000的讀寫，並正常退出
  
  • exec 1000>&-;表示關閉文件描述符1000的寫
  • exec 1000<&-;表示關閉文件描述符1000的讀
  • trap是捕獲中斷命令
• 第27～29行：
  
  • 第27行，創建一個管道文件
  • 第28行，將文件描述符1000與FIFO進行綁定，<讀的綁定，>寫的綁定，<>則標識對文件描述符1000的所有操作等同於對管道文件$tempfifo的操作
  • 第29行，可能會有這樣的疑問：爲什麼不直接使用管道文件呢？事實上這並非多此一舉，管道的一個重要特性，就是讀寫必須同時存在，缺失某一個操作，另一個操作就是滯留，而第28行的綁定文件描述符（讀、寫綁定）正好解決了這個問題
• 第31～34行：對文件描述符1000進行寫入操作。通過循環寫入8個空行，這個8就是我們要定義的後臺併發的線程數。爲什麼是寫空行而不是寫其它字符？因爲管道文件的讀取，是以行爲單位的
• 第37～42行：
  
  • 第37行，read -u1000的作用就是讀取管道中的一行，在這裏就是讀取一個空行；每次讀取管道就會減少一個空行
  • 第39～41行，注意到第42行結尾的&嗎？它表示進程放到linux後臺中執行
  • 第41行，執行完後臺任務之後，往文件描述符1000中寫入一個空行。這是關鍵所在了，由於read -u1000每次操作，都會導致管道減少一個空行，當linux後臺放入了8個任務之後，由於文件描述符1000沒有可讀取的空行，將導致read -u1000一直處於等待。

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3. 參考資料

• Unix Power Tools
• UNIX系統編程手冊
• UNIX管道：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%AE%A1%E9%81%93_(Unix)