linux c中的僵尸问题

浏览数：12 / 时间：2015年06月20日

给进程设置僵尸状态的目的是维护子进程的信息，以便父进程在以后某个时间获取。这些信息包括子进程的进程ID、终止状态以及资源利用信息(CPU时间，内存使用量等等)。如果一个进程终止，而该进程有子进程处于僵尸状态，那么它的所有僵尸子进程的父进程ID将被重置为1（init进程）。继承这些子进程的init进程将清理它们(init进程将wait它们，从而去除僵尸状态)。

但通常情况下，我们是不愿意留存僵尸进程的，它们占用内核中的空间，最终可能导致我们耗尽进程资源。那么为什么会产生僵尸进程以及如何避免产生僵尸进程呢？下边我将从这两个方面进行分析。

僵尸进程的原因

我们知道，要在当前进程中生成一个子进程，一般需要调用fork这个系统调用，fork这个函数的特别之处在于一次调用，两次返回，一次返回到父进程中，一次返回到子进程中，我们可以通过返回值来判断其返回点：

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 ");
}

如果子进程先于父进程退出，同时父进程又没有调用wait/waitpid，则该子进程将成为僵尸进程。通过ps命令，我们可以看到该进程的状态为Z(表示僵死)，如图1所示：

(图1)

备注: 有些unix系统在ps命令输出的COMMAND栏以<defunct>指明僵尸进程。

代码如下：

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);
}

让父进程休眠600s, 然后子进程先退出，我们就可以看到先退出的子进程成为僵尸进程了（进程状态为Z）

避免产生僵尸进程

我们知道了僵尸进程产生的原因，下边我们看看如何避免产生僵尸进程。

一般，为了防止产生僵尸进程，在fork子进程之后我们都要wait它们(wait即可为子进程收尸，但是wait会使主进程停滞等待子进程结束，这不合适，所以子进程结束后会产生信号SIGCHLD，主进程根据信号调用wait即可)；同时，当子进程退出的时候，内核都会给父进程一个SIGCHLD信号，所以我们可以建立一个捕获SIGCHLD信号的信号处理函数，在函数体中调用wait（或waitpid），就可以清理退出的子进程以达到防止僵尸进程的目的。如下代码所示：

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);
}

现在main函数中给SIGCHLD信号注册一个信号处理函数（sig_chld），然后在子进程退出的时候，内核递交一个SIGCHLD的时候就会被主进程捕获而进入信号处理函数sig_chld，然后再在sig_chld中调用wait，就可以清理退出的子进程。这样退出的子进程就不会成为僵尸进程。

然后，即便我们捕获SIGCHLD信号并且调用wait来清理退出的进程，仍然不能彻底避免产生僵尸进程；我们来看一种特殊的情况：

我们假设有一个client/server的程序，对于每一个连接过来的client，server都启动一个新的进程去处理来自这个client的请求。然后我们有一个client进程，在这个进程内，发起了多个到server的请求（假设5个），则server会fork 5个子进程来读取client输入并处理（同时，当客户端关闭套接字的时候，每个子进程都退出）；当我们终止这个client进程的时候，内核将自动关闭所有由这个client进程打开的套接字，那么由这个client进程发起的5个连接基本在同一时刻终止。这就引发了5个FIN，每个连接一个。server端接受到这5个FIN的时候，5个子进程基本在同一时刻终止。这就又导致差不多在同一时刻递交5个SIGCHLD信号给父进程，如图2所示：

（图2）

正是这种同一信号多个实例的递交造成了我们即将查看的问题。

我们首先运行服务器程序，然后运行客户端程序，运用ps命令看以看到服务器fork了5个子进程，如图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：

（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>

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;
}



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);
}