情景linux--shell如何实现多线程?

情景

shell脚本的执行效率虽高,但当任务量巨大时仍然需要较长的时间,尤其是需要执行一大批的命令时。因为默认情况下,shell脚本中的命令是串行执行的。如果这些命令相互之间是独立的,则可以使用“并发”的方式执行这些命令,这样可以更好地利用系统资源,提升运行效率,缩短脚本执行的时间。如果命令相互之间存在交互,则情况就复杂了,那么不建议使用shell脚本来完成多线程的实现。

为了方便阐述,使用一段测试代码。在这段代码中,通过seq命令输出1到10,使用for...in语句产生一个执行10次的循环。每一次循环都执行sleep 1,并echo出当前循环对应的数字。

注意:

  1. 真实的使用场景下,循环次数不一定等于10,或高或低,具体取决于实际的需求。
  2. 真实的使用场景下,循环体内执行的语句往往比较耗费系统资源,或比较耗时等。

请根据真实场景的各种情况理解本文想要表达的内容

$ cat test1.sh
#/bin/bash

all_num=10

a=$(date +%H%M%S)

for num in `seq 1 ${all_num}`
do
sleep 1
echo ${num}
done b=$(date +%H%M%S) echo -e "startTime:\t$a"
echo -e "endTime:\t$b"

通过上述代码可知,为了体现执行的时间,将循环体开始前后的时间打印了出来。

运行结果:

$ sh test1.sh
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
startTime: 193649
endTime: 193659

10次循环,每次sleep 1秒,所以总执行时间10s。

方案

方案1:使用"&"使命令后台运行

在linux中,在命令的末尾加上&符号,则表示该命令将在后台执行,这样后面的命令不用等待前面的命令执行完就可以开始执行了。示例中的循环体内有多条命令,则可以以{}括起来,在大括号后面添加&符号。

$ cat test2.sh
#/bin/bash

all_num=10

a=$(date +%H%M%S)

for num in `seq 1 ${all_num}`
do
{
sleep 1
echo ${num}
} &
done b=$(date +%H%M%S) echo -e "startTime:\t$a"
echo -e "endTime:\t$b"

运行结果:

sh test2.sh
startTime:	194147
endTime: 194147
[j-tester@merger142 ~/bin/multiple_process]$ 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

通过结果可知,程序没有先打印数字,而是直接输出了开始和结束时间,然后显示出了命令提示符[j-tester@merger142 ~/bin/multiple_process]$(出现命令提示符表示脚本已运行完毕),然后才是数字的输出。这是因为循环体内的命令全部进入后台,所以均在sleep了1秒以后输出了数字。开始和结束时间相同,即循环体的执行时间不到1秒钟,这是由于循环体在后台执行,没有占用脚本主进程的时间。

方案2:命令后台运行+wait命令

解决上面的问题,只需要在上述循环体的done语句后面加上wait命令,该命令等待当前脚本进程下的子进程结束,再运行后面的语句。

$ cat test3.sh
#/bin/bash

all_num=10

a=$(date +%H%M%S)

for num in `seq 1 ${all_num}`
do
{
sleep 1
echo ${num}
} &
done wait b=$(date +%H%M%S) echo -e "startTime:\t$a"
echo -e "endTime:\t$b"

运行结果:

$ sh test3.sh
1
2
3
4
5
6
7
9
8
10
startTime: 194221
endTime: 194222

但这样依然存在一个问题:

因为&使得所有循环体内的命令全部进入后台运行,那么倘若循环的次数很多,会使操作系统在瞬间创建出所有的子进程,这会非常消耗系统的资源。如果循环体内的命令又很消耗系统资源,则结果可想而知。

最好的方法是并发的进程是可配置的。

方案3:使用文件描述符控制并发数

$ cat test4.sh
#/bin/bash

all_num=10
# 设置并发的进程数
thread_num=5 a=$(date +%H%M%S) # mkfifo
tempfifo="my_temp_fifo"
mkfifo ${tempfifo}
# 使文件描述符为非阻塞式
exec 6<>${tempfifo}
rm -f ${tempfifo} # 为文件描述符创建占位信息
for ((i=1;i<=${thread_num};i++))
do
{
echo
}
done >&6 #
for num in `seq 1 ${all_num}`
do
{
read -u6
{
sleep 1
echo ${num}
echo "" >&6
} &
}
done wait # 关闭fd6管道
exec 6>&- b=$(date +%H%M%S) echo -e "startTime:\t$a"
echo -e "endTime:\t$b"

运行结果:

$ sh test4.sh
1
3
2
4
5
6
7
8
9
10
startTime: 195227
endTime: 195229

方案4:使用xargs -P控制并发数

xargs命令有一个-P参数,表示支持的最大进程数,默认为1。为0时表示尽可能地大,即方案2的效果。

$ cat test5.sh
#/bin/bash

all_num=10
thread_num=5 a=$(date +%H%M%S) seq 1 ${all_num} | xargs -n 1 -I {} -P ${thread_num} sh -c "sleep 1;echo {}" b=$(date +%H%M%S) echo -e "startTime:\t$a"
echo -e "endTime:\t$b"

运行结果:

$ sh test5.sh 

1
2
3
4
5
6
8
7
9
10
startTime: 195257
endTime: 195259

方案5:使用GNU parallel命令控制并发数

GNU parallel命令是非常强大的并行计算命令,使用-j参数控制其并发数量。

$ cat test6.sh
#/bin/bash

all_num=10
thread_num=6 a=$(date +%H%M%S) parallel -j 5 "sleep 1;echo {}" ::: `seq 1 10` b=$(date +%H%M%S) echo -e "startTime:\t$a"
echo -e "endTime:\t$b"

运行结果:

$ sh test6.sh
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
startTime: 195616
endTime: 195618

总结

“多线程”的好处不言而喻,虽然shell中并没有真正的多线程,但上述解决方案可以实现“多线程”的效果,重要的是,在实际编写脚本时应有这样的考虑和实现。

另外:

方案3、4、5虽然都可以控制并发数量,但方案3显然写起来太繁琐。

方案4和5都以非常简洁的形式完成了控制并发数的效果,但由于方案5的parallel命令非常强大,所以十分建议系统学习下。

方案3、4、5设置的并发数均为5,实际编写时可以将该值作为一个参数传入。

参考文章

  1. http://blog.csdn.net/qq_34409701/article/details/52488964
  2. https://www.codeword.xyz/2015/09/02/three-ways-to-script-processes-in-parallel/
  3. http://www.gnu.org/software/parallel/

相关知识点

  • wait命令
  • &后台运行
  • 文件描述符、mkfifo等
  • xargs命令
  • parallel命令