面试题：C语言实现Linux C语言prefork模型故障转移机制中的负载均衡

Question

在使用C语言实现Linux C语言prefork模型故障转移机制时，如何有效地实现负载均衡，以确保在某个子进程出现故障转移后，新的子进程能够合理分担负载？请描述具体的算法和实现思路。

Answer 1

1. 负载均衡算法

• 轮询算法（Round - Robin）：维护一个子进程索引，每次有新请求到来，按顺序依次将请求分配给子进程。例如，假设有三个子进程 child1、child2、child3，第一个请求分配给 child1，第二个请求分配给 child2，第三个请求分配给 child3，第四个请求又分配给 child1，以此类推。
• 加权轮询算法（Weighted Round - Robin）：为每个子进程分配一个权重值，权重反映了该子进程处理能力的相对大小。比如，处理能力强的子进程权重设为 3，处理能力较弱的子进程权重设为 1。在分配请求时，按权重比例分配。例如，一轮中处理能力强的子进程会被分配 3 次请求，处理能力弱的子进程会被分配 1 次请求。
• 最少连接数算法（Least Connections）：记录每个子进程当前处理的连接数，每次将新请求分配给连接数最少的子进程。这样能动态地将负载分配到相对空闲的子进程上。

2. 实现思路

• 父进程职责：
  • 初始化子进程：在 prefork 模型初始化阶段，父进程创建多个子进程。例如，使用 fork() 系统调用创建多个子进程，并通过管道或共享内存等 IPC 机制建立与子进程的通信通道。
  • 负载均衡器：
    • 对于轮询算法，父进程可以维护一个全局变量记录当前应分配请求的子进程索引，每次请求到来，更新该索引指向下一个子进程。
    • 加权轮询算法实现时，父进程需要为每个子进程维护权重信息，在分配请求时按照权重比例进行分配。
    • 最少连接数算法要求父进程维护每个子进程的连接数信息，可通过共享内存或定期从子进程获取连接数来更新，每次新请求到来，选择连接数最少的子进程进行分配。
  • 故障检测与转移：父进程定期检测子进程状态，例如使用 waitpid() 函数以非阻塞方式等待子进程退出。如果检测到某个子进程异常退出（如通过 WIFEXITED() 等宏判断），父进程重新创建一个新的子进程。同时，父进程需要调整负载均衡算法的相关数据结构，如在轮询算法中，将新子进程纳入轮询序列；在最少连接数算法中，为新子进程初始化连接数为 0。
• 子进程职责：
  • 处理请求：子进程通过与父进程建立的通信通道接收请求，处理完请求后，将结果返回给父进程或者直接返回给客户端（根据具体的架构设计）。
  • 状态汇报：子进程定期向父进程汇报自己的状态，如当前处理的连接数等信息，以便父进程进行负载均衡决策。例如，可以通过管道向父进程发送连接数信息。