僵尸进程zombie与孤儿进程orphan

代码已上传至https://github.com/gatieme/AderXCoding/tree/master/system/unix/zombie

问题提出

---

　　以前在学习《unix环境高级编程》进程时候，提到孤儿进程和僵尸进程，但是一直对这两个概念比较模糊。于是今天做了一些测试程序,并把这些记录下来.

　　僵尸进程/僵死进程
　　In UNIX System terminology, a process that has terminated,but whose parent has not yet waited for it, is called a zombie.
　　在UNIX 系统中，一个进程结束了，但是他的父进程没有等待(调用wait / waitpid)他， 那么他将变成一个僵尸进程。
　　但是如果该进程的父进程已经先结束了，那么该进程就不会变成僵尸进程， 因为每个进程结束的时候，系统都会扫描当前系统中所运行的所有进程， 看有没有哪个进程是刚刚结束的这个进程的子进程，如果是的话，就由Init 来接管他，成为他的父进程, 这样的进程就是下面的孤儿进程.

　　孤儿进程
　　相反,如果一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1或者0)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。

僵尸进程将会导致资源浪费，而孤儿进程不会。

僵尸进程和孤儿进程

---

　　我们知道在unix/linux中，正常情况下，子进程是通过父进程创建的，子进程在创建新的进程。子进程的结束和父进程的运行是一个异步过程,即父进程永远无法预测子进程 到底什么时候结束。 当一个 进程完成它的工作终止之后，它的父进程需要调用wait()或者waitpid()系统调用取得子进程的终止状态。

　　孤儿进程：一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。

　　僵尸进程：一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵死进程。

问题的产生

---

　　由于子进程的结束和父进程的运行是一个异步过程，即父进程永远无法预测子进程到底什么时候结束.

　　那么会不会因为父进程太忙来不及wait子进程，或者说不知道子进程什么时候结束，而丢失子进程结束时的状态信息呢?

　　这种机制就是： 在每个进程退出的时候，内核释放该进程所有的资源，包括打开的文件，占用的内存等。但是仍然为其保留一定的信息（包括进程号the process ID，退出状态the termination status of the process，运行时间the amount of CPU time taken by the process等）。直到父进程通过wait / waitpid时才释放.
　　
　　但这样就导致了问题，我们一般Unix系统中,多进程使用的分叉fork并不保证父子进程的执行顺序(vfork的父进程与子进程是共用地址空间的，子进程会先运行,但是vfork是被废弃掉的调用，BSD里引入它是想避免fork时拷贝父进程的地址空间。所以使用vfork的正常行为是让子进程马上调用exec系列函数。但现在使用写时拷贝，一般不会用vfork了).

由于父子进程运行的顺序是不定的,那么结束的时候也不能确定.因此会出现如下两种情况
　　①父进程先结束,那么子进程由init进程接管,负责子进程的善后工作,子进程成功孤儿进程.
　　②子进程先结束,而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中,但是成为”黑户”,并不被init所知,更不能被接管,成为僵死进程。
　　可见如果父进程进程不调用wait / waitpid的话，那么保留的子进程那段信息就不会释放，其进程号就会一直被占用，但是系统所能使用的进程号是有限的，如果大量的产生僵死进程，将因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程. 此即为僵尸进程的危害，应当避免。

　　孤儿进程是没有父进程的进程，孤儿进程这个重任就落到了init进程身上，init进程就好像是一个民政局，专门负责处理孤儿进程的善后工作。每当出现一个孤儿进程的时候，内核就把孤儿进程的父进程设置为init，而init进程会循环地wait()它的已经退出的子进程。这样，当一个孤儿进程凄凉地结束了其生命周期的时候，init进程就会代表党和政府出面处理它的一切善后工作。因此孤儿进程并不会有什么危害。

　　任何一个子进程(init除外)在exit()之后，并非马上就消失掉，而是留下一个称为僵尸进程(Zombie)的数据结构，等待父进程处理。这是每个子进程在结束时都要经过的阶段。如果子进程在exit()之后，父进程没有来得及处理，这时用ps命令就能看到子进程的状态是“Z”。如果父进程能及时处理，可能用ps命令就来不及看到子进程的僵尸状态，但这并不等于子进程不经过僵尸状态。 如果父进程在子进程结束之前退出，则子进程将由init接管。init将会以父进程的身份对僵尸状态的子进程进行处理。

僵尸进程的危害

---

　
　　例如有个进程，它定期的产 生一个子进程，这个子进程需要做的事情很少，做完它该做的事情之后就退出了，因此这个子进程的生命周期很短，但是，父进程只管生成新的子进程，至于子进程 退出之后的事情，则一概不闻不问，这样，系统运行上一段时间之后，系统中就会存在很多的僵死进程，倘若用ps命令查看的话，就会看到很多状态为Z的进程。 严格地来说，僵死进程并不是问题的根源，罪魁祸首是产生出大量僵死进程的那个父进程。因此，当我们寻求如何消灭系统中大量的僵死进程时，答案就是把产生大量僵死进程的那个元凶枪毙掉（也就是通过kill发送SIGTERM或者SIGKILL信号啦）。枪毙了元凶进程之后，它产生的僵死进程就变成了孤儿进程，这些孤儿进程会被init进程接管，init进程会wait()这些孤儿进程，释放它们占用的系统进程表中的资源，这样，这些已经僵死的孤儿进程 就能瞑目而去了。

示例程序

---

孤儿进程

---

/*************************************************************************    > File Name: orphan.c    > Author: GatieMe    > Mail: [e-mail]    > Created Time: 2015年12月10日 星期四 19时45分16秒 ************************************************************************/#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>/** *   在这个程序中 *   我们先在程序FROK一个子进程 *   然后父进程等待1S, *   等待子进程打印出自己的PID, 和父进程的PID *   随后父进程立马退出 * *   然后子进程在打印出自己和父进程的PID后 *   睡眠5S, 以保证父进程先退出 *   此时子进程成为孤儿进程, 由init接管 *   然后在自己苏醒之后, 再打印出自己的PID和父进程的PID ***/int main(){    pid_t pid;    //创建一个进程    pid = fork();    if(pid < 0)   //  FROK创建进程失败时返回-1    {        printf("fork error errno = %d:%s", errno , strerror(errno));        exit(1);    }    else if(pid == 0)      //  FROK在子进程中返回0    {        printf("child  %d : I am the child process...\n", getpid( ));        //  输出子进程ID和父进程ID        printf("child  %d : pid =  %d, ppid = %d\n", getpid(), getpid(), getppid());        //  睡眠5s，保证父进程先退出        printf("child  %d : I will sleep five seconds.\n", getpid());        sleep(5);        printf("pid =  %d, ppid = %d\n", getpid(), getppid());        //输出进程信息        system("ps -o pid,ppid,state,tty,command");        printf("child process is exited.\n");        //exit(0);    }    else                //  FROK在父进程中返回子进程的pid    {        printf("parent %d : I am the parent process...\n", getpid());        printf("parent %d : pid =  %d, ppid = %d\n", getpid(), getpid(), getppid());        //  父进程睡眠1s，保证子进程输出进程id        sleep(1);        printf("father process is  exited.\n");    }    return 0;}

在这个程序中
父进程退出前,父进程pid=10452,子进程pid=10453
父进程退出后,父进程pid=1792,子进程pid=10453
可以由于是在终端中运行,因此我们的init进程并不是主的init进程,而是user的init进程.
这个很容易理解,我们的程序并不是运行在系统的shell中,而是运行在bash中.
如果进入ctrl+alt+F1,进入命令行中,再次运行程序,就可以看到子进程成为孤儿进程后,父进程成为init[pid = 1]

僵尸进程

---

下面我们修改代码,让子进程直接退出.

/*************************************************************************    > File Name: zombie1.c    > Author: GatieMe    > Mail: [e-mail]    > Created Time: 2015年12月10日 星期四 19时45分16秒 ************************************************************************/#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>/** *   在这个程序中 *   我们先在程序FROK一个子进程 *   然后 ***/int main(){    pid_t pid;    //创建一个进程    pid = fork();    if(pid < 0)   //  FROK创建进程失败时返回-1    {        printf("fork error errno = %d:%s", errno , strerror(errno));        exit(1);    }    else if(pid == 0)      //  FROK在子进程中返回0    {        printf("child  %d : I am the child process...\n", getpid( ));        //  输出子进程ID和父进程ID        printf("child  %d : pid =  %d, ppid = %d\n", getpid(), getpid(), getppid());        printf("child process is exited [zombie]....\n");        //exit(0);    }    else                //  FROK在父进程中返回子进程的pid    {        printf("parent %d : I am the parent process...\n", getpid());        printf("parent %d : pid =  %d, ppid = %d\n", getpid(), getpid(), getppid());        //  父进程睡眠5s，保证子进程退出        printf("parent %d : I will sleep 5 seconds...\n", getpid());        sleep(5);        system("ps -o pid,ppid,state,tty,command");        //printf("father process is  exited.\n");    }    return 0;}

僵尸进程的危害

---

下面这个程序中,我们将在父进程中循环产生僵尸进程.

/*************************************************************************    > File Name: zombie1.c    > Author: GatieMe    > Mail: [e-mail]    > Created Time: 2015年12月10日 星期四 19时45分16秒 ************************************************************************/#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>/** *   在这个程序中 *   父进程每隔5s就将产生一个僵尸进程**/int main(){    pid_t pid;    while( 1 )    {        //创建一个进程        pid = fork();        if(pid < 0)   //  FROK创建进程失败时返回-1        {            printf("fork error errno = %d:%s", errno , strerror(errno));            exit(1);        }        else if(pid == 0)      //  FROK在子进程中返回0        {            printf("child  %d : I am the child process...\n", getpid( ));            //  输出子进程ID和父进程ID            printf("child  %d : pid =  %d, ppid = %d\n", getpid(), getpid(), getppid());            printf("child process is exited [zombie]....\n\n");            //  注意子进程需要退出exit            //  要不然会子进程也进入循环疯狂的创建子进程            exit(0);        }        else                //  FROK在父进程中返回子进程的pid        {            printf("parent %d : I am the parent process...\n", getpid());            printf("parent %d : pid =  %d, ppid = %d\n", getpid(), getpid(), getppid());            //  父进程睡眠5s，保证子进程退出            printf("parent %d : I will sleep 5 seconds...\n\n", getpid());            sleep(5);            system("ps -o pid,ppid,state,tty,command");            printf("father process is  exited.\n");        }    }    return 0;}

解决僵尸进程

---

/*************************************************************************    > File Name: nozombie.c    > Author: GatieMe    > Mail: [e-mail]    > Created Time: 2015年12月10日 星期四 19时45分16秒 ************************************************************************/#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <errno.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <signal.h>#include <sys/wait.h>#include <sys/types.h>void signal_child(int signo){     pid_t          pid;     int            state;     //处理僵尸进程     while((pid = waitpid(-1, &state, WNOHANG)) > 0)     {         printf("\n==child %d terminated.==\n\n", pid);     }     return ;}/** *   在这个程序中 *   父进程产生一个僵尸进程 *   在子进程退出后, 将信号SIGCHLD *   而父进程中注册了信号SIGCHLD的信号处理函数 *   在信号处理函数中, 将使用waitpid子进程**/int main(){    pid_t pid;    //  注册信号SIGCHLD的处理函数    //  当子进程退出时, 此信号将被触发    signal(SIGCHLD, signal_child);    //创建一个进程    pid = fork();    if(pid < 0)   //  FROK创建进程失败时返回-1    {        printf("fork error errno = %d:%s", errno , strerror(errno));        exit(1);    }    else if(pid == 0)      //  FROK在子进程中返回0    {        printf("child  %d : I am the child process...\n", getpid( ));        //  输出子进程ID和父进程ID        printf("child  %d : pid =  %d, ppid = %d\n", getpid(), getpid(), getppid());        printf("child  %d :process is exited [not zombie]....\n\n", getpid());        //  注意子进程需要退出exit        //  要不然会子进程也进入循环疯狂的创建子进程        exit(0);    }    else                //  FROK在父进程中返回子进程的pid    {        printf("parent %d : I am the parent process...\n", getpid());        printf("parent %d : pid =  %d, ppid = %d\n", getpid(), getpid(), getppid());        //  父进程睡眠5s，保证子进程退出        printf("parent %d : I will sleep 5 seconds...\n\n", getpid());        sleep(5);        system("ps -o pid,ppid,state,tty,command");    }    return 0;}

子进程成为孤儿进程–fork两次

　　《Unix 环境高级编程》中非常详细。原理是将子进程成为孤儿进程，从而其的父进程变为init进程，通过init进程可以处理僵尸进程

在这个方法中,我们第一次创建的进程只是一个过渡进程,它在创建了第二个进程后就立即消亡,从而使第二个进程成为一个孤儿进程,由init接管.

而我们通过让原进程wait第一个进程来保证第一个进程不会成为僵死进程
由于第一个进程没做任何操作,便立即退出,因此源进程wait第一个进程的花销几乎可以不计.

因此如果一个进程要fork一个子进程，但不要求它等待子进程终止，也不希望子进程处于僵死状态直到父进程终止，可以使用这种方法.

在这种方法中,父进程和第二个子进程才是真正工作的进程,而第一个子进程只是用于fork第二个子进程的一个过渡进程,通过它使父进程和第二个子进程的不存在直接的父子关系,从而避免了僵死进程的产生.

/*************************************************************************    > File Name: zombietoorphan.c    > Author: GatieMe    > Mail: [e-mail]    > Created Time: 2015年12月10日 星期四 22时49分02秒 ************************************************************************/#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <errno.h>#include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>/** * 如果一个进程要frok一个子进程，但不要求它等待 * 子进程终止，也不希望子进程处于僵死状态直到父进程终止， * 实现这一要求的诀窍是调用fork两次 **/int main(){    pid_t  pid;    if((pid = fork( )) < 0)        // 父进程中创建子进程    {        perror("fork error:");        exit(-1);    }    else if(pid == 0)          //  第一个子进程中    {        printf("first child  %d : pid = %d, ppid = %d\n",getpid( ), getpid( ),getppid( ));        /**         *  在子进程中         *  我们再次fork产生第二个子进程         *  然后第二个子进程在等待其父进程(第一个子进程)退出后再退出         *  这样第二个子进程成为孤儿进程, 由init接管它         **/        if((pid = fork( )) < 0)    //  子进程中再创建子进程        {            perror("fork error:");            exit(-1);        }        else if(pid > 0)        //  第一个子进程直接退出        {            printf("first child %d : is exited.\n", getpid( ));            exit(0);        }        else                    //  第二子进程在其父进程第一个子进程退出后再退出        {            printf("second child %d : pid = %d, ppid = %d\n", getpid( ), getpid( ), getppid( ));            printf("second child %d : I will sleep 3 second...\n", getpid());            //  睡眠3s保证第一个子进程退出，这样第二个子进程的父亲就是init进程里            sleep(3);            ////////////////////////////////////////////////////////////////////            //            // 第二个进程才是我们真正创建出来期望工作的进程            //            ////////////////////////////////////////////////////////////////////            printf("\nsecond child %d : pid = %d, ppid = %d\n\n", getpid( ), getpid( ), getppid( ));            system("ps -o pid,ppid,state,tty,command");            exit(0);        }    }    //父进程处理第一个子进程退出    if (waitpid(pid, NULL, 0) != pid)    {        perror("waitepid error:");        exit(1);    }    exit(0);    return 0;}