Docker和孤儿进程、僵尸进程

Docker和孤儿进程、僵尸进程

前言

在unix/linux系统中，正常情况下，子进程是通过父进程fork创建的。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

• 父进程先于子进程退出，那么子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)接管，并由init进程对它完成状态收集(wait/waitpid)工作。

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  int main()
  {
      pid_t pid;
      //创建一个进程
      pid = fork();
      //创建失败
      if (pid < 0)
      {
          perror("fork error:");
          exit(1);
      }
      //子进程
      if (pid == 0)
      {
          printf("I'm child process, pid:%d  ppid:%d\n", getpid(), getppid());
          //睡眠3s，保证父进程先退出
          sleep(3);
          // 输出子进程ID和父进程ID
          printf("I'm child process, pid:%d  ppid:%d\n", getpid(), getppid());
          printf("child process is exited.\n");
      }
      //父进程
      else
      {
          printf("I'm father process, pid:%d  ppid:%d\n", 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;
  }

• 运行结果如图: 父进程退出后，子进程的父进程(ppid)变为1，被init进程接管

僵尸进程

• 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，这种进程称之为僵尸进程

  #include 
  #include 
  #include 
  #include 
  
  int main()
  {
      pid_t pid;
      pid = fork();
      if (pid < 0)
      {
          perror("fork error:");
          exit(1);
      }
      else if (pid == 0)
      {
          printf("I am child process - %d.I am exiting.\n", getpid());
          exit(0);
      }
      printf("I am father process- %d.I will sleep two seconds\n", getpid());
      //等待子进程先退出
      sleep(3);
      //输出进程信息
      system("ps -o pid,ppid,state,command");
      printf("father process - %d is exiting.\n", getpid());
      return 0;
  }

• 运行结果如图：子进程(pid=2158)成为了僵尸进程

  

僵尸进程的危害

• 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、退出状态、运行时间等)。直到父进程通过wait / waitpid来取时才释放。 如果父进程不调用wait / waitpid的话， 那么保留的那段信息就不会释放，其进程号就会一直被占用，系统所能使用的进程号是有限的，如果大量的产生僵尸进程，可能导致系统不能产生新的进程.

Docker中的孤儿进程

在docker容器中运行的进程，一般是没有init进程的。可以进入容器使用 ps 查看，会发现 pid 为 1 的进程并不是 init，而是容器的主进程。如果容器中产生了孤儿进程，谁来接管这个进程？

• 看下linux内核代码关于接收孤儿进程的代码

  /*
   * When we die, we re-parent all our children, and try to:
   * 1. give them to another thread in our thread group, if such a member exists
   * 2. give it to the first ancestor process which prctl'd itself as a
   *    child_subreaper for its children (like a service manager)
   * 3. give it to the init process (PID 1) in our pid namespace
   */
  static struct task_struct *find_new_reaper(struct task_struct *father,
                         struct task_struct *child_reaper)
  {
      struct task_struct *thread, *reaper;
  
      thread = find_alive_thread(father);
      if (thread)
          return thread;
  
      if (father->signal->has_child_subreaper) {
          /*
           * Find the first ->is_child_subreaper ancestor in our pid_ns.
           * We start from father to ensure we can not look into another
           * namespace, this is safe because all its threads are dead.
           */
          for (reaper = father;
               !same_thread_group(reaper, child_reaper);
               reaper = reaper->real_parent) {
              /* call_usermodehelper() descendants need this check */
              if (reaper == &init_task)
                  break;
              if (!reaper->signal->is_child_subreaper)
                  continue;
              thread = find_alive_thread(reaper);
              if (thread)
                  return thread;
          }
      }
  
      return child_reaper;
  }

1. 找到相同线程组里其它可用线程
2. 沿着它的进程树向祖先进程找一个最近的child_subreaper并且运行着的进程
3. 该namespace下进程号为1的进程

• 关于child_subreaper可以参考PRCTL的PR_SET_CHILD_SUBREAPER参数的描述。被标记为CHILD SUBREAPER的进程，它的所有子进程以及后续进程都会被标记为拥有subrepear，该进程充当init(1)的功能收养该进程树的孤儿进程

   PR_SET_CHILD_SUBREAPER (since Linux 3.4)
         If arg2 is nonzero, set the "child subreaper" attribute of the
         calling process; if arg2 is zero, unset the attribute.
  
         When a process is marked as a child subreaper, all of the
         children that it creates, and their descendants, will be
         marked as having a subreaper.  In effect, a subreaper fulfills
         the role of init(1) for its descendant processes.  Upon
         termination of a process that is orphaned (i.e., its immediate
         parent has already terminated) and marked as having a
         subreaper, the nearest still living ancestor subreaper will
         receive a SIGCHLD signal and will be able to wait(2) on the
         process to discover its termination status.
  

Docker进程树

• Docker Daemon从1.11版后从架构上发生了比较大的变化，由原来的一个模块拆分为4个独立的模块：engine、containerd、runC、containerd-shim，将容器的生命周期管理交给containerd, containerd再使用runC运行容器。

• 架构上的变化也改变了docker容器运行时的进程树的结构，这里运行一个简单的docker镜像，并通过 ps xf -o pid,ppid,stat,args查看进程树，从进程树中也可以看出docker daemon架构的变化

  docker run -d --name ubuntu ubuntu:14.04 sleep 1000

1. docker 1.11之后

   

2. docker 1.11之前

   

docker产生孤儿进程

• 准备两个文件parent.sh、child.sh

  #parent.sh
  bash ./child.sh

  #child.sh
  while true
  do
      sleep 10
  done

• 运行docker，此时sleep进程的为容器首进程，pid为1

  docker run -d -v `pwd`/parent.sh:/root/test/parent.sh -v `pwd`/child.sh:/root/test/child.sh --name test ubuntu:14.04 sleep 10000

• 进入容器，并运行parent.sh

  # 进入容器
  docker exec -it test /bin/bash
  # 进入脚本目录
  cd /root/test
  # 运行parent.sh脚本
  bash ./parent.sh 

• 在容器中通过 ps xf -o pid,ppid,stat,args查看进程树可以看到进程结构如下, sleep作为容器启动命令，它的进程号为1，根据上一节关于linux接收孤儿进程的描述，当没有其他符合条件的进程接收时，该进程就会成为孤儿进程的接收者

  

• 接下来通过kill -9杀死运行parent.sh的进程，此时运行child.sh的进程就成为了孤儿进程，这个时候docker容器是如何处理孤儿进程的接收的呢？Docker 1.11之前和之后版本的处理是有所区别的
• 先来看下docker 1.11版之前容器内的进程树(如下图)，可以看到运行child.sh的进程的父进程变为了1(sleep进程)

  

• 再来看下Docker 1.11版之后版本容器内的进程树(如下图)，可以看到child.sh进程的父进程变成了0，与sleep处于同一个层级，那么是谁接收了这个孤儿进程呢？

此时需要查看主机的进程树才能确定孤儿进程到底是被谁接收了，在主机上运行 ps xf -o pid,ppid,stat,args，结果如下图

可以看到child.sh进程被docker-containerd-shim的进程接收，根据上面关于linux孤儿进程接收的描述，docker-containerd-shim应该是被标记为child_subreaper的，这样它就能接收以他为父节点的进程树下所有的孤儿进程。查找docker/containerd的代码，在container-shim的启动函数start中通过osutils.SetSubreaper设置了child_subreaper

 func start(log *os.File) error {
     // start handling signals as soon as possible so that things are properly reaped
     // or if runtime exits before we hit the handler
     signals := make(chan os.Signal, 2048)
     signal.Notify(signals)
     // set the shim as the subreaper for all orphaned processes created by the container
     if err := osutils.SetSubreaper(1); err != nil {
         return err
     }
     ...
 }

结论

• Docker1.11版本之前孤儿进程是由容器内pid为1的进程接收，而1.11版本后是由docker-containerd-shim进程接收

Docker中的僵尸进程

• 关于僵尸进程的概念以及产生的原因上面已经阐述过了，僵尸进程是指子进程退出，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。我们这里只讨论docker中的孤儿进程机制是否会导致僵尸进程的产生，这个也是docker早期版本被诟病的问题。

1.11版本前

• 1.11版本前，孤儿进程是被容器内pid为1的进程所接收。上面关于孤儿进程的实验中，容器中pid为1的进程为sleep进程，而sleep进程是不会对子进程退出进行wait/waitpid操作的，所以我们kill掉child.sh进程就会产生僵尸进程(如下图)

• 上图可以看到运行child.sh的进程和sleep进程都成为了僵尸进程，这里sleep进程成为僵尸进程是由于sleep进程是child.sh的子进程，当child.sh退出时，sleep进程成为了孤儿进程并被pid为1的sleep进程所接收，当sleep运行结束时(这里运行的是sleep 10)退出，pid为1的sleep进程不进行wait/waitpid操作，就使得sleep进程成为僵尸进程

1.11版本后

• 1.11版本后，孤儿进程是被docker-containerd-shim进程接收，如果docker-containerd-shim在子进程退出时调用wait/waitpid就不会产生僵尸进程，反之就会产生僵尸进程。这里也进行相同的操作，kill掉运行child.sh的进程，结果如下图

  

• 从结果上看child.sh和sleep(child.sh的子进程)进程都正常退出(进程树上看不到)，并没有产生僵尸进程。所以docker-containerd-shim会在子进程退出时调用wait/waitpid。从源码中看下docker-containerd-shim的处理

  func start(log *os.File) error {
      ...
      switch s {
          case syscall.SIGCHLD:
              exits, _ := osutils.Reap(false)
              ...
      }
      ...
  }

  在其start函数中可以看到接收子进程退出的信号量(SIGCHLD), 调用osutils.Reap(false)进行处理,并且在osutils.Reap函数中调用了wait方法

  func Reap(wait bool) (exits []Exit, err error) {
      ...
      
      for {
          pid, err := syscall.Wait4(-1, &ws, flag, &rus)
          if err != nil {
              if err == syscall.ECHILD {
                  return exits, nil
              }
              return exits, err
          }
          
          ...
      }
  }

结论

• Docker1.11之前的版本，孤儿进程是否有可能成为僵尸进程取决于容器内pid为1的进程是否在子进程退出时调用wait/waitpid, Docker1.11版本之后孤儿进程不会成为僵尸进程