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如何在 shell 中实现并行执行

·336 字
howto shell

今天,有个同事问我,他的 shell 中要执行一个迭代200次的循环,因为每一次循环都需要消耗一定的时间,执行起来比较慢,问我可不可以改成并行执行,循环一次执行10个任务,循环20次来完成所有的任务。

什么是并行?并行,是一种常见的任务执行过程模式,指可以同时执行两个或多个程序,与之相对的则是串行。还应该注意,并行不是并发,两者之间是有明显区别的,有些开发者经常搞混。并发是指服务系统支持两个或多个任务同时存在,同时存在并不意味着同时执行,因为服务系统单位时间上只执行一个任务,其它的任务以等待的形式存在。

下面就同事的问题,介绍如何在 shell 中解决并行控制的方法。

串行改为并行 #

首先,先来看一个串行的例子:

>  for i in `seq 1 10`
do
    sleep 1; echo $i
done

这是一个迭代次数为10的循环,每一个循环都会等待 1 秒,执行总时长约等于 10 秒。sleep 1 会阻塞循环,只有 sleep 1 执行结果,才会进入下一循环,这是典型的串行模式。

shell 提供了一种把命令提交到后台任务队列的机制,即使用 命令 & 将命令控制权交到后台并立即返回执行下个任务。

>  for i in `seq 1 10`
do
    sleep 1 &; echo $i
done

还是这个例子,多了个 & 符,其作用是将命令 sleep 1 提交到后台去执行,而 for 无须等待就可进入下一次循环。所以上面的 for 循环在 1 秒未到的时间内就执行完毕,然后系统会逐个执行 sleep 1 并向终端报告命令执行结束。

并行-等待模式 #

上面将串行循环改为并行循环的例子,并没考虑这样的情况。

>  for i in `seq 1 10`
do
    sleep 1 &; echo $i
done
echo "all weakup"

这个例子要求在 for 循环中的所有命令(sleep 1)都执行完之后,打印 “all weakup”。如果按照这段脚本,发现情况并不是这样的,因为 for 循环不会等待 sleep 命令执行结束后才结束,而是把命令提交给系统后自己就退出了,进而还没有1个 sleep 执行完毕之前,“all weakup” 就已经打印了。

为了达到题目要求,需要在 echo "all weakup" 命令之前,加上 wait命令,意为等待上面所有 & 作用过的后台任务执行结束后才继续往下。

>  for i in `seq 1 10`
do
    sleep 1 &; echo $i
done
wait
echo "all weakup"

并行度控制 #

下面列举的方案并不包括所有可能的实现方案。

方案1-控制一次性提交的后台任务数量 #

上面的示例中,for 循环会将所有命令转为后台执行。显然,如果每个命令需要比较大的开销,并且循环次数太多,这个方法并不可取。那么,要求 for 循环有部分执行或循环达到一定次数后就要 wait,等待前一批次的所提交的任务执行完之后,再提交一定数量命令(再循环一定次数)后再继续 wait。虽然这种方案并不优雅,但至少不会导致一次性向系统提交过多后台任务。

看看下面的例子:

degree=4
for i in `seq 1 10`
do
    sleep 1 & # 提交到后台的任务
    echo $i
    [ `expr $i % $degree` -eq 0 ] && wait
done

上面示例,设置了一个变量 degree,用来表示并行度,在整个循环中控制阻塞的关键就是于语句 [ ``expr $i % $degree`` -eq 0 ] && wait,即在第 n 次循环时,如果 n 恰好对 degree 求模等于0时,那么循环先阻塞,等待前面 n 个后台任务执行完毕后再继续,以此类推。

方案2-利用队列来控制提交的任务数量 #

并行度控制,原理还不算复杂,但因为 shell 的原生数据结构支持较弱,使用 shell 来实现并行度控制就比较麻烦。

与 c、java、python 等语言实现并行度的原理基本一致,都是设置一个类似线程池或者工作池的数组,

方案3-利用命名管道来做任务队列 #

大致原理是创建一个 FIFO 命名管道来做为队列,先放进一定量的字符到这个管道做为信号。然后在一个 for 循环中,每循环一次,从管道中读取一个字符信号,提交一个后台任务,并往这个管道中追加一个字符信号,保持管道中的字符信号数量。

是不是很像当 java 中的线程池、golang 中的 chan。没有接触过命名管理、文件描述符等概念的,可能会比较难以理解下面示例中的部分细节。

_fifofile="$$.fifo"
mkfifo $_fifofile     # 创建一个FIFO类型的文件
exec 6<>$_fifofile    # 将文件描述符6写入 FIFO 管道, 这里6也可以是其它数字
rm $_fifofile         # 删也可以,

degree=4  # 定义并行度

#根据并行度设置信号个数
#事实上是在fd6中放置了$degree个回车符
for ((i=0;i<${degree};i++));do
    echo
done >&6

for i in `seq 1 20` # 循环20次
do
    # 从管道中读取(消费掉)一个字符信号
    # 当FD6中没有回车符时,停止,实现并行度控制
    read -u6
    {
        sleep 1  # 实际任务的命令
        echo $i
        echo >&6 # 当进程结束以后,再向管道追加一个信号,保持管道中的信号总数量
    } &
done

wait # 等待所有任务结束

exec 6>&- # 关闭管道

方案1-控制一次性提交的后台任务数量 是采用分批次提交的思路,而 方案2 则是利用消费命名管道时read 会出现等待的特性,因为是每执行完一个任务后就追加一个信号,等同释放一个任务执行名额,总是保持任务并行执行数为 degree。

因为采用队列模型,当执行完一个任务,马上就会有另一个任务被启动,在服务系统设计时,这种模式的任务控制是系统资源利用率最高的。

方案4-使用 xargs 命令的控制参数 #

我是在写本文的时候,才发现原来 xargs 有一个控制并行的参数。

> seq 20 | xargs -I % -P4 sh -c 'echo %; sleep 1s'

关键在于 xargs-P 参数,指一次性接收多少个参数,默认为1。使用 -I % 指定在命令中可以使用 % 符来表示接收到的参数

方案5-使用 parallel 命令行工具 #

gnu linux 的生态中,有一个专门用来处理本文所述并行控制场景的工具,名字叫 parallel

官方链接

下面还是使用打印序列号的例子来演示如果控制并行:

> seq 20 | parallel -j 4 "echo {}; sleep 1"

命令格式与 xargs 类似,使用 -j 来指定并行度;使用 {} 来表示参数。