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linux殭屍行程產生的原因以及如何避免產生殭屍行程

高洛峰
高洛峰
Dec 17, 2016 am 11:39 AM

給進程設定殭屍狀態的目的是維護子進程的訊息，以便父​​進程在以後某個時間取得。這些資訊包括子進程的進程ID、終止狀態以及資源利用資訊(CPU時間，記憶體使用量等等)。如果一個行程終止，而該行程有子行程處於殭屍狀態，那麼它的所有殭屍子程序的父行程ID將被重設為1（init行程）。繼承這些子程序的init程序將清理它們(init程序將wait它們，從而去除殭屍狀態)。

        但通常情況下，我們是不願意留存殭屍進程的，它們佔用核心中的空間，最終可能導致我們耗盡進程資源。那麼為什麼會產生殭屍行程以及如何避免產生殭屍行程呢？下邊我將從這兩個方面來分析。

    殭屍進程的原因

        我們知道，在目前進程中產生一個子進程，一般需要調用fork這個系統調用，fork這個函數的特別之處在於一次調用，兩次返回之處在於一次返回到父進程中，一次回到子進程中，我們可以透過回傳值來判斷其回傳點：

pid_t child = fork();if( child < 0  ) {     //fork error.
    perror("fork process fail.\n");
} else if( child ==0  ) {   // in child process
    printf(" fork succ, this run in child process\n ");
} else {                        // in parent process
    printf(" this run in parent process\n ");
}

       如果子程序先於父程序退出， 同時父程序又沒有呼叫wait/waitpid，則該子程序將成為殭屍程序。透過ps指令，我們可以看到這個行程的狀態為Z(表示僵死)，如圖1所示：

linux僵尸进程

            (圖1)

    備註指令defunct>指明殭屍行程。

        代碼如下：

if( child == -1 ) { //error
    perror("\nfork child error.");
    exit(0);
} else if(child == 0){
   cout << "\nIm in child process:" <<  getpid() << endl;
   exit(0);
} else {
   cout << "\nIm in parent process."  << endl;
   sleep(600);
}

        讓父進程休眠600s, 然後子程序先退出，我們就可以看到殭屍   我們知道了殭屍行程產生的原因，下邊我們看看如何避免產生殭屍行程。

        一般，為了防止產生殭屍進程，在fork子進程之後我們都要wait它們；同時，當子進程退出的時候，核心都會給父進程一個SIGCHLD信號，所以我們可以建立一個捕獲SIGCHLD信號的信號處理函數，在函數體中呼叫wait（或waitpid），就可以清理退出的子程序以達到防止殭屍程序的目的。如下程式碼所示：

void sig_chld( int signo ) {
    pid_t pid;    int stat;
    pid = wait(&stat);    
    printf( "child %d exit\n", pid );    return;
}int main() {
    signal(SIGCHLD,  &sig_chld);
}

       現在main函數中給SIGCHLD訊號註冊一個訊號處理函數（sig_chld），然後在子行程退出的時候，核心遞交一個SIGCHLD的時候就會被主行程擷取而進入訊號處理函數sig_chld ，然後再在sig_chld中呼叫wait，就可以清理退出的子程序。這樣退出的子行程就不會成為殭屍行程。

        然後，即使我們捕獲SIGCHLD訊號並且呼叫wait來清理退出的進程，仍然不能徹底避免產生殭屍進程；我們來看一種特殊的情況：

     連結過來的client，server都啟動一個新的程序去處理來自這個client的請求。然後我們有一個client進程，在這個進程內，發起了多個到server的請求（假設5個），則server會fork 5個子程序來讀取client輸入並處理（同時，當客戶端關閉套接字的時候，每個子程序都退出）；當我們終止這個client進程的時候，核心將自動關閉所有由這個client進程打開的套接字，那麼由這個client進程發起的5個連接基本在同一時刻終止。這就引發了5個FIN，每個連接一個。 server端接受到這5個FIN的時候，5個子進程基本上在同一時刻終止。這又導致差不多在同一時刻遞交5個SIGCHLD訊號給父進程，如圖2所示：

          （圖2）

linux僵尸进程         （圖2）

      的問題。

        我們先執行伺服器程序，然後執行客戶端程序，並使用ps指令看以看到伺服器fork了5個子進程，如圖3：

                    （图3）

        然后我们Ctrl+C终止客户端进程，在我机器上边测试，可以看到信号处理函数运行了3次，还剩下2个僵尸进程，如图4：

linux僵尸进程

（图4）

       通过上边这个实验我们可以看出，建立信号处理函数并在其中调用wait并不足以防止出现僵尸进程，其原因在于：所有5个信号都在信号处理函数执行之前产生，而信号处理函数只执行一次，因为Unix信号一般是不排队的。

更为严重的是，本问题是不确定的，依赖于客户FIN到达服务器主机的时机，信号处理函数执行的次数并不确定。

       正确的解决办法是调用waitpid而不是wait，这个办法的方法为：信号处理函数中，在一个循环内调用waitpid，以获取所有已终止子进程的状态。我们必须指定WNOHANG选项，他告知waitpid在有尚未终止的子进程在运行时不要阻塞。（我们不能在循环内调用wait，因为没有办法防止wait在尚有未终止的子进程在运行时阻塞，wait将会阻塞到现有的子进程中第一个终止为止），下边的程序分别给出了这两种处理办法(func_wait, func_waitpid)。

//server.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <error.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
typedef void sigfunc(int);
void func_wait(int signo) {
    pid_t pid;
    int stat;
    pid = wait(&stat);    
    printf( "child %d exit\n", pid );
    return;
}
void func_waitpid(int signo) {
    pid_t pid;
    int stat;
    while( (pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0 ) {
        printf( "child %d exit\n", pid );
    }
    return;
}
sigfunc* signal( int signo, sigfunc *func ) {
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = func;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    if ( signo == SIGALRM ) {
#ifdef            SA_INTERRUPT
        act.sa_flags |= SA_INTERRUPT;    /* SunOS 4.x */
#endif
    } else {
#ifdef           SA_RESTART
        act.sa_flags |= SA_RESTART;    /* SVR4, 4.4BSD */
#endif
    }
    if ( sigaction(signo, &act, &oact) < 0 ) {
        return SIG_ERR;
    }
    return oact.sa_handler;
} 
void str_echo( int cfd ) {
    ssize_t n;
    char buf[1024];
again:
    memset(buf, 0, sizeof(buf));
    while( (n = read(cfd, buf, 1024)) > 0 ) {
        write(cfd, buf, n); 
    }
    if( n <0 && errno == EINTR ) {
        goto again; 
    } else {
        printf("str_echo: read error\n");
    }
}
int main() {
    signal(SIGCHLD, &func_waitpid);    
    int s, c;
    pid_t child;
    if( (s = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0 ) {
        int e = errno; 
        perror("create socket fail.\n");
        exit(0);
    }
    
    struct sockaddr_in server_addr, child_addr; 
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(9998);
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    if( bind(s, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0 ) {
        int e = errno; 
        perror("bind address fail.\n");
        exit(0);
    }
    
    if( listen(s, 1024) < 0 ) {
        int e = errno; 
        perror("listen fail.\n");
        exit(0);
    }
    while(1) {
        socklen_t chilen = sizeof(child_addr); 
        if ( (c = accept(s, (struct sockaddr *)&child_addr, &chilen)) < 0 ) {
            perror("listen fail.");
            exit(0);
        }
        if( (child = fork()) == 0 ) {
            close(s); 
            str_echo(c);
            exit(0);
        }
        close(c);
    }
}
//client.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <errno.h>
#include <error.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
void str_cli(FILE *fp, int sfd ) {
    char sendline[1024], recvline[2014];
    memset(recvline, 0, sizeof(sendline));
    memset(sendline, 0, sizeof(recvline));
    while( fgets(sendline, 1024, fp) != NULL ) {
        write(sfd, sendline, strlen(sendline)); 
        if( read(sfd, recvline, 1024) == 0 ) {
            printf("server term prematurely.\n"); 
        }
        fputs(recvline, stdout);
        memset(recvline, 0, sizeof(sendline));
        memset(sendline, 0, sizeof(recvline));
    }
}
int main() {
    int s[5]; 
    for (int i=0; i<5; i++) {
        if( (s[i] = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0 ) {
            int e = errno; 
            perror("create socket fail.\n");
            exit(0);
        }
    }
    for (int i=0; i<5; i++) {
        struct sockaddr_in server_addr, child_addr; 
        bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
        server_addr.sin_family = AF_INET;
        server_addr.sin_port = htons(9998);
        inet_pton(AF_INET, "127.0.0.1", &server_addr.sin_addr);
        if( connect(s[i], (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0 ) {
            perror("connect fail."); 
            exit(0);
        }
    }
    sleep(10);
    str_cli(stdin, s[0]);
    exit(0);
}



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