面试题：进程管理之管道机制高级难度题

Question

在多进程环境下，存在多个子进程，父进程通过管道向每个子进程发送不同的任务编号，子进程根据编号执行相应任务，并通过另一管道将结果返回给父进程。请设计整体的进程通信架构，并说明如何保证数据传输的正确性和高效性。

Answer 1

进程通信架构设计

1. 管道创建：
   • 在父进程中，为每个子进程创建一对管道，一个用于父进程向子进程发送任务编号（发送管道），另一个用于子进程向父进程返回结果（接收管道）。例如，假设有 n 个子进程，可以创建两个数组 send_pipes[n][2] 和 recv_pipes[n][2] 来分别存储这些管道的文件描述符。使用 pipe() 系统调用创建管道，如 pipe(send_pipes[i]) 和 pipe(recv_pipes[i])。
2. 子进程创建：
   • 父进程通过 fork() 系统调用创建 n 个子进程。在每个子进程创建后，子进程关闭不需要的管道文件描述符。例如，子进程关闭 send_pipes[i][1]（因为它只接收数据）和 recv_pipes[i][0]（因为它只发送数据）。父进程则关闭 send_pipes[i][0] 和 recv_pipes[i][1]。
3. 任务发送与结果接收：
   • 任务发送：父进程在 send_pipes[i][1] 上使用 write() 函数向第 i 个子进程发送任务编号。例如，write(send_pipes[i][1], &task_number, sizeof(task_number))。
   • 任务执行与结果返回：子进程在 send_pipes[i][0] 上使用 read() 函数接收任务编号，根据编号执行相应任务，然后在 recv_pipes[i][1] 上使用 write() 函数将结果返回给父进程，如 write(recv_pipes[i][1], &result, sizeof(result))。
   • 结果接收：父进程在 recv_pipes[i][0] 上使用 read() 函数接收子进程返回的结果，如 read(recv_pipes[i][0], &result, sizeof(result))。

保证数据传输正确性

1. 数据完整性校验：
   • 在发送数据时，可以附加校验和（如CRC校验和）。父进程在发送任务编号时，计算任务编号的校验和并一起发送。子进程接收任务编号和校验和后，重新计算任务编号的校验和并与接收到的校验和比较。如果一致，则数据正确；否则，要求父进程重新发送。同理，子进程在发送结果时也可以附加校验和，父进程进行校验。
2. 错误处理：
   • 对于 read() 和 write() 函数的返回值进行检查。如果 read() 返回值小于预期读取的字节数或者 write() 返回值小于预期写入的字节数，说明发生了错误。此时，相应进程可以采取重发数据、关闭管道并重新创建等措施。例如，如果父进程 write() 失败，可以记录错误并尝试重新发送任务编号。

保证数据传输高效性

1. 批量数据传输：
   • 如果可能，尽量一次发送较大的数据块而不是多次发送小数据块。例如，如果任务编号和相关参数可以组合成一个结构体，一次性将结构体通过管道发送，减少系统调用次数。
2. 异步I/O：
   • 在父进程中，可以使用异步I/O机制（如 aio_read() 和 aio_write()）来处理管道的读写操作，避免阻塞主线程，提高整体的并发性能。子进程也可以采用类似的方式，提高数据传输的效率。
3. 合理使用缓冲区：
   • 利用系统提供的缓冲区机制，减少实际的I/O次数。例如，在用户空间设置合适大小的缓冲区，先将数据写入缓冲区，当缓冲区满或者达到一定条件时，再一次性通过管道发送，减少对管道的频繁写入操作。