Linux 进程池实战：基于管道的手动任务分发系统

2. 子进程工作逻辑

Work 函数是子进程的核心执行逻辑，负责从管道读取任务码并执行对应任务。当 read() 返回 0 时，表示管道写端已关闭，子进程应退出。

void Work(int rfd) {
    while (true) {
        int code = 0;
        ssize_t n = read(rfd, &code, sizeof(code));

        if (n > 0 && n == sizeof(int)) {
            if (code >= 0 && code < gtasks.size()) {
                gtasks[code]();
            }
        } else if (n == 0) {
            break; // 读到 0，表示父进程让我退出
        } else {
            break; // 读取错误
        }
    }
}

3. 通道类封装

Channel 类封装了管道写端和子进程 ID 的关联关系，简化父进程对单个子进程的管理（发任务、关管道、回收进程）。

class Channel {
public:
    Channel(int wfd, pid_t who) : _wfd(wfd), _sub_process_id(who) {
        _name = "Channel-" + std::to_string(_sub_process_id) + "-" + std::to_string(_wfd);
    }

    int Fd() { return _wfd; }
    pid_t SubId() { return _sub_process_id; }
    std::string Name() { return _name; }

    void Close() {
        if (_wfd >= 0) close(_wfd);
    }

    void Wait() {
        pid_t rid = waitpid(_sub_process_id, nullptr, 0);
        (void)rid;
    }

    void SendTask(int taskcode) {
        ssize_t n = write(_wfd, &taskcode, sizeof(taskcode));
        (void)n;
    }

private:
    int _wfd;
    pid_t _sub_process_id;
    std::string _name;
};

4. 进程池核心管理

ProcessPool 类负责创建子进程、管理通道、分发任务和停止进程池。这里采用了轮询索引来实现负载均衡。

class ProcessPool {
private:
    int Next() {
        int choice = _next_choice;
        _next_choice++;
        _next_choice %= _channels.size();
        return choice;
    }

public:
    ProcessPool(int number) : _number(number), _next_choice(0) {
        std::cout << "number: " << _number << std::endl;
    }

    void Start() {
        for (int i = 0; i < _number; i++) {
            int pipefd[2];
            int n = pipe(pipefd);
            if (n < 0) {
                perror("pipe");
                exit(2);
            }

            pid_t id = fork();
            if (id < 0) {
                perror("fork");
                exit(3);
            } else if (id == 0) {
                // 子进程逻辑
                close(pipefd[1]);
                Work(pipefd[0]);
                close(pipefd[0]);
                exit(0);
            } else {
                // 父进程逻辑
                close(pipefd[0]);
                _channels.emplace_back(pipefd[1], id);
            }
        }
    }

    void PushTask(int taskcode) {
        int who = Next();
        _channels[who].SendTask(taskcode);
        std::cout << "发送任务：" << TaskToString(taskcode) << "[" << taskcode << "]" 
                  << "给：" << _channels[who].Name() << std::endl;
    }

    void Stop() {
        // 版本 1：先批量关闭所有管道，等待子进程退出后再回收
        for (auto& channel : _channels) {
            channel.Close();
            std::cout << channel.Name() << " close success!" << std::endl;
        }
        sleep(3); // 等待子进程处理完最后任务并退出

        for (auto& channel : _channels) {
            channel.Wait();
            std::cout << channel.Name() << " wait success!" << std::endl;
        }
    }

private:
    std::vector<Channel> _channels;
    int _number;
    int _next_choice;
};

5. 主函数入口

主函数负责初始化、启动、分发任务和停止进程池。

#ifdef __MAIN__
static void Usage(const std::string &proc) {
    std::cout << "Usage:\n\t" << proc << " process_number" << std::endl;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc != 2) {
        Usage(argv[0]);
        exit(1);
    }

    int number = std::stoi(argv[1]);
    srand(time(nullptr) ^ getpid());
    LoadTask();
    std::vector<int> task_codes;
    RandomTask(&task_codes);

    std::unique_ptr<ProcessPool> pp = std::make_unique<ProcessPool>(number);
    pp->Start();
    sleep(2);

    for (auto task : task_codes) {
        pp->PushTask(task);
        usleep(500000); // 模拟任务分发间隔
    }

    pp->Stop();
    return 0;
}
#endif

关键知识点解析

1. 管道通信原理

匿名管道 pipe() 创建的文件描述符对中，pipefd[0] 为读端，pipefd[1] 为写端。父子进程继承管道文件描述符后，通过关闭不需要的端实现'父写子读'。当写端关闭后，读端 read() 会返回 0，子进程利用这个信号判断退出。

2. 轮询负载均衡

Next() 函数通过递增取模的方式，循环选择子进程，确保任务均匀分发给所有子进程，避免单个子进程过载。

3. 进程回收的注意事项

在 Stop() 函数中，如果关闭管道后立即调用 waitpid()，子进程可能还在阻塞读管道，此时父进程 waitpid() 会阻塞，而子进程读取到管道关闭后退出，若所有子进程都处于这种状态，可能导致死锁。因此，推荐先批量关闭所有管道，等待一段时间让子进程全部退出后再回收，或者逆序关闭 + 回收，以避免资源竞争。

编译与运行

使用以下 Makefile 进行编译：

process_pool: process_pool.cc
	g++ -o$@ $^ -std=c++14
.PHONY: clean
clean:
	rm -f process_pool

• 编译：直接执行 make。
• 运行：./process_pool 5（5 为子进程数量，可自定义）。
• 输出：可以看到任务被轮询分发给不同子进程，每个任务打印对应的进程 ID，最后进程池正常停止并回收资源。

扩展与优化方向

• 错误处理：当前代码未处理 write()/read() 的错误返回值，实际场景应增加重试、日志记录。
• 动态扩容：支持运行时增加或减少子进程数量。
• 更优的负载均衡：基于子进程当前任务数、CPU 使用率等动态分发。
• 任务队列：父进程增加任务队列，避免任务分发过快导致管道阻塞。
• 信号处理：增加 SIGCHLD 信号处理，异步回收子进程，避免僵尸进程。

本文通过拆解一个极简的进程池实现，演示了 Linux 进程间通信、进程管理的核心知识点。这个进程池虽然简单，但涵盖了进程池的核心设计思想，是学习 Linux 并发编程的绝佳案例。