shell队列实现线程并发控制

Posted 2022-03-03 ZONG_XP

需求：并发检测1000台web服务器状态（或者并发为1000台web服务器分发文件等）如何用shell实现？

1 单线程方法

方案一：（这应该是大多数人都第一时间想到的方法吧）

思路：一个for循环1000次，顺序执行1000次任务。

实现：

#!/bin/bash
start_time=`date +%s` #定义脚本运行的开始时间

for ((i=1;i<=1000;i++))
do
        sleep 1  #sleep 1用来模仿执行一条命令需要花费的时间（可以用真实命令来代替）
        echo 'success'$i;       
done

stop_time=`date +%s`  #定义脚本运行的结束时间

echo "TIME:`expr $stop_time - $start_time`"

运行结果：

[root@iZ94yyzmpgvZ ~]# . test.sh 
success1
success2
success3
success4
success5
success6
success7
........此处省略
success999
success1000
TIME:1000

代码解析以及问题：

一个for循环1000次相当于需要处理1000个任务，循环体用sleep 1代表运行一条命令需要的时间，用success$i来标示每条任务.

这样写的问题是，1000条命令都是顺序执行的，完全是阻塞时的运行，假如每条命令的运行时间是1秒的话，那么1000条命令的运行时间是1000秒，效率相当低，而我的要求是并发检测1000台web的存活，如果采用这种顺序的方式，那么假如我有1000台web，这时候第900台机器挂掉了，检测到这台机器状态所需要的时间就是900s，吃屎都吃不上热乎的。

所以，问题的关键集中在一点：如何并发

2 无限并发

方案二：

思路：一个for循环1000次，循环体里面的每个任务都放入后台运行（在命令后面加&符号代表后台运行）。

实现：     

#!/bin/bash
start=`date +%s` #定义脚本运行的开始时间

for ((i=1;i<=1000;i++))
do

        sleep 1  #sleep 1用来模仿执行一条命令需要花费的时间（可以用真实命令来代替）
        echo 'success'$i; 
 &              #用把循环体括起来，后加一个&符号，代表每次循环都把命令放入后台运行
                 #一旦放入后台，就意味着里面的命令交给操作系统的一个线程处理了
                 #循环了1000次，就有1000个&把任务放入后台，操作系统会并发1000个线程来处理
                 #这些任务         
done    
wait             #wait命令的意思是，等待（wait命令）上面的命令（放入后台的）都执行完毕了再
                 #往下执行。
                 #在这里写wait是因为，一条命令一旦被放入后台后，这条任务就交给了操作系统
                 #shell脚本会继续往下运行（也就是说：shell脚本里面一旦碰到&符号就只管把它
                 #前面的命令放入后台就算完成任务了，具体执行交给操作系统去做，脚本会继续
                 #往下执行），所以要在这个位置加上wait命令，等待操作系统执行完所有后台命令
end=`date +%s`  #定义脚本运行的结束时间

echo "TIME:`expr $end - $start`"

运行结果：

[root@iZ94yyzmpgvZ /]# . test1.sh 
......
[989]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
[990]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
success992
[991]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
[992]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
success993
[993]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
success994
success995
[994]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
success996
[995]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
[996]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
success997
success998
[997]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
success999
[998]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
[999]-  Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
success1000
[1000]+  Done                     sleep 1; echo 'success'$i; 
TIME:2

代码解析以及问题：

shell中实现并发，就是把循环体的命令用&符号放入后台运行，1000个任务就会并发1000个线程,运行时间2s，比起方案一的1000s，已经非常快了。

可以看到输出结果success4 ...success3完全都是无序的，因为大家都是后台运行的，这时候就是cpu随机运行了，所以并没有什么顺序

这样写确实可以实现并发，然后，大家可以想象一下，1000个任务就要并发1000个线程，这样对操作系统造成的压力非常大，它会随着并发任务数的增多，操作系统处理速度会变慢甚至出现其他不稳定因素，就好比你在对nginx调优后，你认为你的nginx理论上最大可以支持1w并发了，实际上呢，你的系统会随着高并发压力会不断攀升，处理速度会越来越慢（你以为你扛着500斤的东西你还能跑的跟原来一样快吗）

3 管道限制线程数

方案三：

思路：基于方案二，使用linux管道文件特性制作队列，控制线程数目

知识储备：

3.1 管道文件

1:无名管道（ps aux | grep nginx）

2:有名管道（mkfifo /tmp/fd1）

有名管道特性：

cat /tmp/fd1(如果管道内容为空，则阻塞)
echo "test" > /tmp/fd1(如果没有读管道的操作，则阻塞)

实验：

总结:

利用有名管道的上述特性就可以实现一个队列控制了

你可以这样想：一个女士公共厕所总共就10个蹲位，这个蹲位就是队列长度，女厕所门口放着10把药匙，要想上厕所必须拿一把药匙，上完厕所后归还药匙，下一个人就可以拿药匙进去上厕所了，这样同时来了1千位美女上厕所，那前十个人抢到药匙进去上厕所了，后面的990人需要等一个人出来归还药匙才可以拿到药匙进去上厕所，这样10把药匙就实现了控制1000人上厕所的任务（os中称之为信号量）

3.2 文件描述符

1.管道具有存一个读一个，读完一个就少一个，没有则阻塞，放回的可以重复取，这正是队列特性，但是问题是当往管道文件里面放入一段内容，没人取则会阻塞，这样你永远也没办法往管道里面同时放入10段内容（想当与10把药匙），解决这个问题的关键就是文件描述符了。

2. mkfifo /tmp/fd1     

创建有名管道文件exec 3<>/tmp/fd1，创建文件描述符3关联管道文件，这时候3这个文件描述符就拥有了管道的所有特性，还具有一个管道不具有的特性：无限存不阻塞，无限取不阻塞，而不用关心管道内是否为空，也不用关心是否有内容写入引用文件描述符： &3可以执行n次echo >&3 往管道里放入n把钥匙

exec命令用法： http://blog.sina.com.cn/s/blog_7099ca0b0100nby8.html

实现：     

#!/bin/bash
start_time=`date +%s`              #定义脚本运行的开始时间
[ -e /tmp/fd1 ] || mkfifo /tmp/fd1 #创建有名管道
exec 3<>/tmp/fd1                   #创建文件描述符，以可读（<）可写（>）的方式关联管道文件，这时候文件描述符3就有了有名管道文件的所有特性
rm -rf /tmp/fd1                    #关联后的文件描述符拥有管道文件的所有特性,所以这时候管道文件可以删除，我们留下文件描述符来用就可以了
for ((i=1;i<=10;i++))
do
        echo >&3                   #&3代表引用文件描述符3，这条命令代表往管道里面放入了一个"令牌"
done

for ((i=1;i<=1000;i++))
do
read -u3                           #代表从管道中读取一个令牌

        sleep 1  #sleep 1用来模仿执行一条命令需要花费的时间（可以用真实命令来代替）
        echo 'success'$i       
        echo >&3                   #代表我这一次命令执行到最后，把令牌放回管道
&
done
wait

stop_time=`date +%s`  #定义脚本运行的结束时间

echo "TIME:`expr $stop_time - $start_time`"
exec 3<&-                       #关闭文件描述符的读
exec 3>&-                       #关闭文件描述符的写

运行结果：

[root@iZ94yyzmpgvZ /]# . test2.sh
success4
success6
success7
success8
success9
success5
......
success935
success941
success942
......
success992
[992]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; echo 1>&3; 
success993
[993]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; echo 1>&3; 
success994
[994]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; echo 1>&3; 
success998
success999
success1000
success997
success995
success996
[995]   Done                     sleep 1; echo 'success'$i; echo 1>&3; 
TIME:101

代码解析以及问题：

两个for循环，第一个for循环10次，相当于在女士公共厕所门口放了10把钥匙，第二个for

循环1000次，相当于1000个人来上厕所，read -u3相当于取走一把药匙，里面最后一行代码echo >&3相当于上完厕所送还药匙。

这样就实现了10把药匙控制1000个任务的运行，运行时间为101s，肯定不如方案二快，但是比方案一已经快很多了，这就是队列控制同一时间只有最多10个线程的并发，既提高了效率，又实现了并发控制。

注意：创建一个文件描述符exec 3<>/tmp/fd1 不能有空格，代表文件描述符3有可读（<）可写（>）权限，注意，打开的时候可以写在一起，关闭的时候必须分开关，exec 3<&-关闭读，exec 3>&-关闭写

想一下：

1.假如一台优化后的nginx单机可以接受最大的并发是1w，那么同时来了2w人，那nginx是怎么做的

2.或者，一家餐厅有10个服务员，餐厅的资金的支持它最多可以再招收90个服务员（apache可设置默认开始10个进程，最大可开启100个进程），也就是说这家餐厅最多可以有100个服务员。那现在同时有1000个人来吃饭，这时候会出现的现象是：前10个人会立马有人招待吃饭，然后餐厅每招收一个新服务员就有一个人可以坐下来吃饭，好，假设现在总共有100个服务员在提供服务了，那么还剩下900人如何处理，很简单，吃完一个滚一个，滚一个就进来一个吃饭。这样就实现了100个服务员去为1000个人提供服务。

实际上就是用一个100人的队列去控制1000个任务的运行，同一时间最多并发100个线程，这样既节省了系统资源又提高了效率