【操作系统】多进程拷贝|进程重载

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为什么要进行多进程拷贝？

这涉及到了分时复用原理。

分时复用原理

分时复用：在多进程环境下，进程在时间片内与CPU进行交互，时间片用完时进程会被中断，等待下一次CPU使用权限。

时间片：每个进程在运行时会被分配一个时间片，时间片用完后CPU会切换到另一个进程。

多进程拷贝优势：通过多进程处理，可以更高效地利用系统资源（CPU、内存），减少大文件拷贝任务的完成时间。

执行方式对比

串行执行：任务严格按顺序执行，从头到尾依次处理。

优点：简单、易实现。

缺点：不能充分利用系统资源，效率低。

并发执行：多个任务在同一时间段内执行，但不一定同时进行，利用CPU切换完成多个任务。

优点：比串行执行更高效，能更好地利用CPU。

缺点：需要处理进程间的通信和同步问题。

并行执行：物理上同时进行，多个核心或处理器同时执行多个任务。

优点：最高效的执行方式，可以显著缩短任务完成时间。

缺点：需要多核或多处理器支持，复杂度更高。

不要频繁的进程切换，频繁切换会浪费开销，影响系统性能。

多进程可以加快任务完成速度，但需要合理的任务分配和资源管理。

多进程拷贝的优点

1. 提高文件拷贝效率

并行处理：多进程拷贝通过并行处理文件的不同部分，可以显著提高拷贝速度，尤其是对于大文件而言。

减少I/O等待时间：多个进程可以同时进行读取和写入操作，减少了单个进程的I/O等待时间，提高整体效率。

2. 充分利用系统资源

多核CPU的利用：现代计算机通常配备多核CPU，多进程拷贝可以同时利用多个CPU核心，避免资源闲置。

内存利用：多进程可以更好地利用系统内存和缓存，提高数据处理效率。

3. 提高系统响应性

负载分散：通过将文件拷贝任务分散到多个进程，可以减小单个进程的负载，使系统在执行大文件拷贝时仍能保持较好的响应性。

任务中断与恢复：多进程模式下，如果某个进程失败，只需重新启动该进程或重新分配任务，而不必重新开始整个文件拷贝，提高了拷贝任务的健壮性。

应用场景

在需要拷贝超大文件时，单进程的处理速度较慢，而多进程可以显著加快拷贝速度。

在需要同时执行多个文件拷贝任务的场景，多进程可以同时处理多个任务，提高整体处理效率。

多进程拷贝的流程

`Process_Copy.c`

命令行参数：Process_Copy 的输入包括源文件路径、目标文件路径、进程数量（可选，默认为5）。

参数校验：程序首先会检查参数数量和文件路径的有效性。

任务量计算：通过计算源文件大小和进程数量来确定每个进程处理的字节数，处理任务被分成多块。

多进程创建：根据用户指定的进程数量，创建多个子进程（cp_process）。

文件分块：源文件、目标文件、任务量和进程数被传递给每个子进程，子进程负责处理指定块的文件拷贝。

进程重载：对每个子进程使用execl函数进行重载，让其实现copy.c的功能。

关于execl函数的使用，可以看我这期博客【Linux】execl函数详解|进程重载

`Copy.c`

任务接收与处理：接收任务并进行位置转换，以便正确处理文件偏移量。

文件操作：

打开文件：以读方式打开源文件，以写方式打开目标文件。

文件指针调整：将源文件和目标文件的指针移动到指定位置，确保正确的读取和写入。

读写操作：读取源文件的数据并写入到目标文件中。

关闭文件：完成操作后，关闭文件描述符并退出进程。

流程

执行 Process_Copy ，传入源文件路径、目标文件路径，多线程数量。

Process_Copy 计算每个进程的任务量，创建并分配子进程。

每个子进程通过 Copy 执行文件拷贝任务，处理源文件和目标文件的读写操作。

参数校验 -> 任务量计算 -> 进程创建 -> 子进程执行文件拷贝。
子进程根据任务量和位置执行读写操作，直到完成整个文件的拷贝。

代码实现

Process_Copy.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <sys/fcntl.h>
#include <sys/wait.h> /* 多进程拷贝样例 */
int Block_Cur(const char* File_Name,int Pro_Number)
{/* 计算每个进程应该拷贝的大小 */int fd;if((fd=open(File_Name,O_RDONLY))==-1){perror("Block_Cur>>file open fail");exit(0);}int fsize;if((fsize=lseek(fd,0,SEEK_END))==-1){perror("Block_Cur>>get filesize fail");exit(0);}if(fsize%Pro_Number==0)return fsize/Pro_Number;else return fsize/Pro_Number+1;}/* Process_Copy SRC DES 30,进程数量可缺省 */
int Check_Pram(int Arg_No,const char* Src_File,int Pro_Number)
{if(Arg_No<3){printf("Error:Pram Error\n");exit(0);}if(access(Src_File,F_OK)!=0){printf("Error:Src_File Not Exist\n");exit(0);}if(Pro_Number<=0 || Pro_Number>80){printf("Error:Pro_Number is Limited\n");exit(0);}return 0;
}int Process_Create(const char* Src_File,const char *Des_File,int Pro_Number,int Blocksize)
{pid_t pid;int i;/* 循环创建空格 */for(i=0;i<Pro_Number;++i){pid=fork();if(pid==0) break;}if(pid>0){/* 父进程工作区 */printf("Parent Process PID:%d wait...\n",getpid());/* 回收僵尸进程 */pid_t zpid;while((zpid=wait(NULL))>0){printf("wait sucess,ZPID:%d\n",zpid);}}else if(pid==0){/* 子进程工作区 */int pos=0;pos=i*Blocksize;char str_Blocksize[10];char str_pos[10];bzero(str_Blocksize,10);bzero(str_pos,10);sprintf(str_Blocksize,"%d",Blocksize);sprintf(str_pos,"%d",pos);execl("/home/cppstudy/code/PROCESS/Process_Copy/copy","copy",Src_File,Des_File,str_Blocksize,str_pos,NULL);}else{perror("fork call failed");exit(0);}
}
int main(int argc,char** argv)
{      int Pro_Number=0;if(argv[3]==0) Pro_Number=5;else Pro_Number=atoi(argv[3]);/* 参数校验 */Check_Pram(argc,argv[1],Pro_Number);/* 任务量分割 */int Block_Size=Block_Cur(argv[1],Pro_Number);/* 进程创建 */Process_Create(argv[1],argv[2],Pro_Number,Block_Size);return 0;
}

Copy.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <sys/fcntl.h>int main(int argc,char**argv)
{int blocksize;int pos;ssize_t len;int sfd;int dfd;blocksize=atoi(argv[3]);pos=atoi(argv[4]);char buffer[blocksize];bzero(buffer,sizeof(buffer));printf("Child Process PID:%d copy sucess,File_Name:%s,Blocksize:%d,pos:%d\n",getpid(),argv[1],blocksize,pos);if((sfd=open(argv[1],O_RDONLY))==-1){printf("%s open fail\n",argv[1]);exit(0);}if((dfd=open(argv[2],O_RDWR|O_CREAT,0664))==-1){printf("%s create fail\n",argv[2]);exit(0);}/* 读写指针偏移位置 */lseek(sfd,pos,SEEK_SET);lseek(dfd,pos,SEEK_SET);len=read(sfd,buffer,sizeof(buffer));write(dfd,buffer,len);close(sfd);close(dfd);return 0;
}