Linux学习_进程（4）——僵尸进程与孤儿进程_linux看孤儿进程

监视子进程

        在很多应用程序的设计中，父进程需要知道子进程于何时被终止，并且需要知道子进程的终止状态信息，是正常终止、还是异常终止亦或者被信号终止等，意味着父进程会对子进程进行监视，下面来学习如何通过系统调用 wait()以及其它变体来监视子进程的状态改变。

wait()函数

        对于许多需要创建子进程的进程来说，有时设计需要监视子进程的终止时间以及终止时的一些状态信息，在某些设计需求下这是很有必要的。系统调用 wait()可以等待进程的任一子进程终止，同时获取子进程 的终止状态信息，其函数原型如下所示：

include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
 
pid_t wait(int *status);

函数参数和返回值含义如下：

        status：参数 status 用于存放子进程终止时的状态信息，参数 status 可以为 NULL，表示不接收子进程终止时的状态信息。

        返回值：若成功则返回终止的子进程对应的进程号；失败则返回-1。

        系统调用 wait()将执行如下动作：

        1、调用 wait()函数，如果其所有子进程都还在运行，则 wait()会一直阻塞等待，直到某一个子进程终止；

        2、如果进程调用 wait()，但是该进程并没有子进程，也就意味着该进程并没有需要等待的子进程，那么wait()将返回错误，也就是返回-1、并且会将 errno 设置为 ECHILD。        

       3、如果进程调用 wait()之前，它的子进程当中已经有一个或多个子进程已经终止了，那么调用wait() 也不会阻塞。wait()函数的作用除了获取子进程的终止状态信息之外，更重要的一点，就是回收子进程的一些资源，俗称为子进程“收尸”，关于这个问题后面再给大家进行介绍。所以在调用 wait() 函数之前，已经有子进程终止了，意味着正等待着父进程为其“收尸”，所以调用 wait()将不会阻塞，而是会立即替该子进程“收尸”、处理它的“后事”，然后返回到正常的程序流程中，一次 wait() 调用只能处理一次。

        参数 status 不为 NULL 的情况下，则 wait()会将子进程的终止时的状态信息存储在它指向的 int 变量中， 可以通过以下宏来检查 status 参数：

1. WIFEXITED(status)：如果子进程正常终止，则返回 true；
2. WEXITSTATUS(status)：返回子进程退出状态，是一个数值，其实就是子进程调用_exit()或 exit() 时指定的退出状态；wait()获取得到的 status 参数并不是调用_exit()或 exit()时指定的状态，可通过 WEXITSTATUS 宏转换；
3. WIFSIGNALED(status)：如果子进程被信号终止，则返回 true；
4. WTERMSIG(status)：返回导致子进程终止的信号编号。如果子进程是被信号所终止，则可以通过此宏获取终止子进程的信号。
5. WCOREDUMP(status)：如果子进程终止时产生了核心转储文件，则返回 true；

使用示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>
 
int main(void){
    int status;
    int ret;
    int i;
 
    /* 循环创建 3 个子进程 */
    for (i = 1; i <= 3; i++) {
        switch (fork()) {
            case -1:    
                perror("fork error");
                exit(-1);
            
            case 0:
                /* 子进程 */
                printf("子进程<%d>被创建\n", getpid());
                sleep(i);
                _exit(i);
 
           default:
               /* 父进程 */
               break;
        }
    }
 
    sleep(1);
    printf("~~~~~~~~~~~~~~\n");
    for (i = 1; i <= 3; i++) {
        ret = wait(&status);
        if (-1 == ret) {
            if (ECHILD == errno) {
                printf("没有需要等待回收的子进程\n");
                exit(0);
            }else{
                perror("wait error");
                exit(-1);
            }
        }
        printf("回收子进程<%d>, 终止状态<%d>\n", ret,
        WEXITSTATUS(status));
    }
    exit(0);
}

         通过 for 循环创建了 3 个子进程，父进程中循环调用 wait()函数等待回收子进程，并将本次回收的子进程进程号以及终止状态打印出来，编译测试结果如下：

                

 waitpid()函数

        使用 wait()系统调用存在着一些限制，这些限制包括如下：

1. 如果父进程创建了多个子进程，使用 wait()将无法等待某个特定的子进程的完成，只能按照顺序等待下一个子进程的终止，一个一个来、谁先终止就先处理谁；
2. 如果子进程没有终止，正在运行，那么 wait()总是保持阻塞，有时我们希望执行非阻塞等待，是否有子进程终止，通过判断即可得知；
3. 使用 wait()只能发现那些被终止的子进程，对于子进程因某个信号（譬如 SIGSTOP 信号）而停止（注意，这里停止指的暂停运行），或是已停止的子进程收到 SIGCONT 信号后恢复执行的情况就无能为力了。

而设计 waitpid()则可以突破这些限制，waitpid()系统调用函数原型如下所示：

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
 
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

函数参数和返回值含义如下：

pid：参数 pid 用于表示需要等待的某个具体子进程，关于参数 pid 的取值范围如下：

        status：与 wait()函数的 status 参数意义相同。

        options：稍后介绍。

        返回值：返回值与 wait()函数的返回值意义基本相同，在参数 options 包含了 WNOHANG 标志的情况下，返回值会出现 0，稍后介绍。

        参数 options 是一个位掩码，可以包括 0 个或多个如下标志：

1. WNOHANG：如果子进程没有发生状态改变（终止、暂停），则立即返回，也就是执行非阻塞等待，可以实现轮训 poll，通过返回值可以判断是否有子进程发生状态改变，若返回值等于 0 表示没有发生改变。
2. WUNTRACED：除了返回终止的子进程的状态信息外，还返回因信号而停止（暂停运行）的子进程状态信息；
3. WCONTINUED：返回那些因收到 SIGCONT 信号而恢复运行的子进程的状态信息。

使用示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>
 
int main(void){
    int status;
    int ret;
    int i;
 
    /* 循环创建 3 个子进程 */
    for (i = 1; i <= 3; i++) {
        switch (fork()) {
        case -1:
            perror("fork error");
            exit(-1);
 
        case 0:
            /* 子进程 */
            printf("子进程<%d>被创建\n", getpid());
            sleep(i);
            _exit(i);
 
        default:
            /* 父进程 */
            break;
        }
    }
    sleep(1);
    printf("~~~~~~~~~~~~~~\n");
    for (i = 1; i <= 3; i++) {
        ret = waitpid(-1, &status, 0);
        if (-1 == ret) {
            if (ECHILD == errno) {
                printf("没有需要等待回收的子进程\n");
                exit(0);
            }else {
                perror("wait error");
                exit(-1);
            }
        }
    printf("回收子进程<%d>, 终止状态<%d>\n", ret,
    WEXITSTATUS(status));
    }
exit(0);
}

        将 wait(&status)替换成了 waitpid(-1, &status, 0)，通过上面的介绍可知，waitpid()函数的这种参数配置情况与 wait()函数是完全等价的。

僵尸进程与孤儿进程

        当一个进程创建子进程之后，它们俩就成为父子进程关系，父进程与子进程的生命周期往往是不相同的，这里就会出现两个问题：

         1、父进程先于子进程结束。

         2、子进程先于父进程结束。 

        孤儿进程父进程先于子进程结束，也就是意味着，此时子进程变成了一个“孤儿”，我们把这种进程就称为孤儿进程。在 Linux 系统当中，所有的孤儿进程都自动成为 init 进程（进程号为 1）的子进程，换言之，某一子进程的父进程结束后，该子进程调用 getppid()将返回 1，init 进程变成了该进程的“养父”；这是判定某一子进程的“生父”是否还“在世”的方法之一，通过下面代码进行测试：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
 
int main(void){
    /* 创建子进程 */
    switch (fork()) {
    case -1:
        perror("fork error");
        exit(-1);
 
    case 0:
        /* 子进程 */
        printf("子进程<%d>被创建, 父进程<%d>\n", getpid(), getppid());
        sleep(3); //休眠 3 秒钟等父进程结束
        printf("父进程<%d>\n", getppid());//再次获取父进程 pid
        _exit(0);
 
   default:
        /* 父进程 */
        break;
   }
   sleep(1);//休眠 1 秒
   printf("父进程结束!\n");
   exit(0);
}

        在上述代码中，子进程休眠 3 秒钟，保证父进程先结束，而父进程休眠 1 秒钟，保证子进程能够打印出第一个 printf()，也就是在父进程结束前，打印子进程的父进程进程号；子进程 3 秒休眠时间过后，再次打印父进程的进程号，此时它的“生父”已经结束了。

        

        可以发现，打印结果并不是 1，意味着并不是 init 进程，而是 1263，这是怎么回事呢？通过"ps -axu"查询可知，进程号1263对应的是 upstart 进程，如下所示：

         事实上，/sbin/upstart 进程与 Ubuntu 系统图形化界面有关系，是图形化界面下的一个后台守护进程，可负责“收养”孤儿进程，所以图形化界面下，upstart 进程就自动成为了孤儿进程的父进程，这里笔者是在 Ubuntu 16.04 版本下进行的测试，可能不同的版本这里看到的结果会有不同。

        既然在图形化界面下孤儿进程的父进程不是 init 进程，那么我们进入 Ubuntu 字符界面，按 Ctrl + Alt + F1 进入，如下所示：

 输入 Linux 用户名和密码登录，我们再运行一次：

        字符界面模式下无法显示中文，所以出现了很多白色小方块，从打印结果可以发现，此时孤儿进程的父进程就成了 init 进程，大家可以自己测试下，Ctrl + Alt + F7 回到 Ubuntu 图形化界面。

僵尸进程

        进程结束之后，通常需要其父进程为其“收尸”，回收子进程占用的一些内存资源，父进程通过调用 wait()（或其变体 waitpid()、waitid()等）函数回收子进程资源，归还给系统。

        如果子进程先于父进程结束，此时父进程还未来得及给子进程“收尸”，那么此时子进程就变成了一个僵尸进程。子进程结束后其父进程并没有来得及立马给它“收尸”，子进程处于“曝尸荒野”的状态，在这么一个状态下，我们就将子进程称为僵尸进程。

        当父进程调用 wait()（或其变体，下文不再强调）为子进程“收尸”后，僵尸进程就会被内核彻底删除。 另外一种情况，如果父进程并没有调用 wait()函数然后就退出了，那么此时 init 进程将会接管它的子进程并自动调用 wait()，故而从系统中移除僵尸进程。

        如果父进程创建了某一子进程，子进程已经结束，而父进程还在正常运行，但父进程并未调用 wait()回收子进程，此时子进程变成一个僵尸进程。首先来说，这样的程序设计是有问题的，如果系统中存在大量的僵尸进程，它们势必会填满内核进程表，从而阻碍新进程的创建。需要注意的是，僵尸进程是无法通过信号将其杀死的，即使是“一击必杀”信号 SIGKILL 也无法将其杀死，那么这种情况下，只能杀死僵尸进程的父进程（或等待其父进程终止），这样 init 进程将会接管这些僵尸进程，从而将它们从系统中清理掉！所以， 在我们的一个程序设计中，一定要监视子进程的状态变化，如果子进程终止了，要调用 wait()将其回收，避免僵尸进程。

示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
 
int main(void){
    /* 创建子进程 */
    switch (fork()) {
    case -1:
        perror("fork error");
        exit(-1);
 
    case 0:
        /* 子进程 */
        printf("子进程<%d>被创建\n", getpid());
        sleep(1);
        printf("子进程结束\n");
        _exit(0);
       
    default:
        /* 父进程 */
        break;
    }
    for ( ; ; )
        sleep(1);
    
    exit(0);
}

        在上述代码中，子进程已经退出，但其父进程并没调用 wait()为其“收尸”，使得子进程成为一个僵尸进程，使用命令"ps -aux"可以查看到该僵尸进程，测试结果如下： 

         通过命令可以查看到子进程 18257依然存在，可以看到它的状态栏显示是“Z+”（zombie）， 表示它是一个僵尸进程。僵尸进程无法被信号杀死，大家可以试试，要么等待其父进程终止、要么杀死其父进程，让 init 进程来处理，当我们杀死其父进程之后，僵尸进程也会被随之清理。