操作系统之进程和线程(僵尸进程、孤儿进程、守护进程、Linux常见命令）

1. 僵尸进程

① 僵尸进程概述

• 什么是僵尸进程？

1. 在Linux系统中，任何一个子进程在调用exit()函数结束运行后，内核会释放该进程的所有资源，包括占用的内存和打开的文件等。
2. 同时，也会留下一个叫做僵尸进程（Zombie）的数据结构，Zombie中存储了该进程的进程号、退出码、退出状态、使用的CPU时间等信息。即僵尸进程是早已死亡的子进程，但在进程表中占了一个位置（slot）。
3. 子进程还会向父进程发送SIGCHLD信号，父进程调用wait()或者waitpid()函数可以将僵尸进程释放（为它收尸）。
4. 父进程在没有释放掉僵尸进程就提前结束了，僵尸进程则会由init进程接管。init进程（PID = 1）会作为它的父进程，为它收尸。
5. 但是如果父进程是一个循环，不会结束，却又没有为SIGCHLD信号绑定处理函数，或者没有调用wait()/waitpid()函数为僵尸进程收尸，则该僵尸进程会一直在系统中存在。

• 僵尸进程的危害：

1. 如果系统中存在很多僵尸进程，进程号会被它们一直占用。
2. 这时，有限的进程号将会耗尽，使得系统无法创建新的进程。

② 如何杀死僵尸进程？

• 查看系统中是否存在僵尸进程

1. Linux中的top命令可以实时显式系统中各个进程的资源占用情况。因此，可以先通过top命令查看系统中是否存在僵尸进程。
2. 输入top命令后的部分内容如下：其中zombie前面的数字表示当前系统中存在的僵尸进程数。

Tasks: 337 total,   1 running, 327 sleeping,   0 stopped,   9 zombie
Cpu(s):  0.0%us,  0.0%sy,  0.0%ni, 54.3%id, 45.7%wa,  0.0%hi,  0.0%si,  0.0%st
Mem:     64417M total,    42611M used,    21806M free,    10924M buffers
Swap:    32764M total,      684M used,    32080M free,    28841M cached
 
  PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S   %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                                                                       
 9563 root      20   0  9040 1312  820 R      0  0.0   0:00.19 top                                                                                           
15216 root      20   0     0    0    0 S      0  0.0   5:45.61 kworker/22:1                                                                                  
    1 root      20   0 10528  724  692 S      0  0.0   2:47.29 init                                                                                          
    2 root      20   0     0    0    0 S      0  0.0   0:16.94 kthreadd                                                                                      
    3 root      20   0     0    0    0 S      0  0.0   9:13.20 ksoftirqd/0                                                                                   
    6 root      RT   0     0    0    0 S      0  0.0  94846:34 migration/0                                                                                                                                                              

• 查看具体是哪些进程为僵尸进程

1. 状态为Z，后面有defunct标记的进程就是僵尸进程。
2. 可以通过ps -ef | grep defunct命令查看具体的僵尸进程。
   
3. 上述命令返回的结果中，第三列就是该僵尸进程的父进程，可以通过kill -9 PPID杀死其父进程。之后，僵尸进程将由init进程接手，会被init进程释放。

③ 如何避免僵尸进程？

• 父进程收到SIGCHLD信号后，调用wait()或者waitpid()函数释放僵尸进程。但是，这样会导致父进程挂起。
• 如果父进程很忙，可以使用signal函数为SIGCHLD信号安装handler，handler中会调用wait函数回收僵尸进程。子进程结束后，父进程收到SIGCHLD信号后会执行handler。
• 父进程显式地表示自己对子进程的结束不感兴趣：

1. 父进程如果不关心子进程什么时候结束，可以通过signal(SIGCLD, SIG_IGN)或者signal(SIGCHLD, SIG_IGN)通知内核，自己对子进程的结束不感兴趣。
2. 子进程结束后，内核会释放僵尸进程，并不在给父进程发送信号。

• fokr两次：

1. 父进程fork一个子进程，然后继续工作
2. 子进程fork一个孙进程后退出，孙进程将由init进程接管；孙进程结束后，init进程会对其进程回收。
3. 子进程的回收还是需要父进程自己去完成

2. 孤儿进程（orphan）

• 孤儿进程：

1. 父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，这些子进程将成为孤儿进程（orphan process）。
2. 估计进程将会被init进程收养，并由init进程完成对它们的状态收集工作。

• 由于孤儿进程会被init进程收养，因此孤儿进程调用exit()结束运行时，也会由init进程完成回收工作，而不会对系统造成危害。
• 孤儿进程与僵尸进程的区别：

1. 孤儿进程： 子进程未运行结束，父进程却提前计数，这时子进程将会成为孤儿进程被init进程收养。init进程会完成对孤儿进程的回收工作，孤儿进程对系统没有危害。
2. 僵尸进程： 子进程运行结束，父进程没有为SIGCHLD信号设置处理函数，或者调用wait()/waitpid()函数对其进程回收，成为系统中的僵尸进程。僵尸进程会占用系统中有限的进程号，导致系统无法创建新进程。因此，僵尸进程对系统有危害。

3. 守护进程（Daemon）

① 什么是守护进程？

• Linux Daemon（守护进程）是运行在后台的一种特殊进程，独立于控制终端，并且周期性的执行某种任务或者等待处理某些发生的事件。
• 守护进程不需要用户输入就能运行，它可以提供某种服务。并且不是对系统提供服务，就是对某个应用程序提供服务。
• Linux中大多数的服务器就是通过守护进程实现，如系统日志进程syslogd、数据库服务器mysqld、web服务器httpd等。
• 守护进程一般在系统启动时就开启了，除非强制终止，否则直到系统关机都保持运行。
• 因为需要使用特殊端口1~1024访问某些特殊的资源，守护进程经常以超级用户（root）权限运行。
• 守护进程的父进程是init进程： 创建守护进程时，父进程在fork出子进程后就提前结束运行了。守护进程将会变成孤儿进程，由init进程收养。
• 守护进程是非交互式程序，没有控制终端，无论是标准输出设备stdout还是标准出错设备stderr的输出都需要进行特殊处理。
• 守护进程的名称通常以d结尾，如sshd、xinetd、crond等。

② 如何创建守护进程？

• 父进程fork()出子进程，然后提前调用exit()结束运行。
• 在子进程中调用setsid()函数创建新的会话。
• 再次fork出一个子进程并让父进程退出。
• 在子进程中调用chdir()函数，让根目录成为子进程的工作目录。
• 在子进程中调用unmask()函数，设置进程的文件权限码为0。
• 在子进程中关闭任何不需要的文件描述符。

4. Linux中的常见命令

• 用于文件操作的常见命令：cp（拷贝）、rm（删除）、mkdir（创建）、cd（切换目录）、mv（改名）、ls（罗列文件/文件夹）、tar（解压缩）、chmod（更改权限）、chown（更改所有者）
• 用于系统进程操作的常见命令：top/htop(查看系统中所有进程实时运行情况）、ps（列出系统中的进程）、lsof（查看某个端口是否被占用）、kill（杀死某个进程）、iotop（监控磁盘I/O情况）、ifconfig（查看本机IP）

5. 进程和线程的常见问题总结

1. 进程的状态转换？

• 五种或者带换出的六种

2. 进程和线程的区别？

• 总体区别： 进程是资源分配的基本单位，线程是CPU调度的基本单位（用工厂车间和生产线去讲解）
• 细分区别： 资源、调度、开销（创建和销毁的开销、上下文切换的开销）、通信方式
• Linux中： Linux中内核调度的基本单位task_struct，内核线程和用户线程

3. 进程间的通信方式

• 管道（半双工、要求亲缘关系）
• FIFO（半双工、不要求亲缘关系）
• 信号量（PV操作、互斥量，生产者-消费者问题）
• 信号
• 消息队列（无须考虑同步、有选择的接收消息）
• 共享内存（减少进程间的数据拷贝）
• socket（不同机器间的进程通信）

4. 进程同步中的临界区有什么处理方法？

• 使用互斥量Mutex或synchronized关键字

5. 僵尸进程如何检测？

• 基础： top命令查看是否存在僵尸进程，ps -ef | grep defunct查看僵尸进程具体信息
• 进阶： kill命令杀死其父进程
• 高阶： 僵尸进程的形成、危害、如何避免

5. 线程启动的方法

• 创建的方法： 继承Thread类、重写Runnable接口、重写Callable接口
• 启动的方法： 只有start()

6. Linux进程管理的相关命令

• top/htop命令、ps命令、lsof命令、kill命令

7. Java中哪些地方会发生OOM?一个进程有3个线程，如果一个线程抛出OOM，其他两个线程还能运行么?

• JVM栈和本地方法栈动态扩展扩展时无法申请到足够的内存，会抛出OutOfMemoryException异常。
• 堆和方法区无法满足内存分配需求时，会抛出OutOfMemoryException异常。
• 一个线程OOM，其他线程仍然可以运行；主线程OOM，其他线程仍然可以运行。

8. Java进程挂掉，Linux下如何处理？

1. Java程序自身问题导致OOM？
2. JVM或JDK自身的bug导致crash？
3. 查看系统日志是否被Linux的OOM-killer杀掉，查看是Java程序内存占用过大，还是有其他进程占用了大量内存？

9. 进程和线程那个快？线程之间的通信？

• 线程更快：创建和销毁、上下文切换都是线程快
• 线程之间通过共享数据进行通信。