【Linux】进程概念——父子进程、僵尸进程和孤儿进程

父子进程

什么是父子进程？

所谓父子进程，就是在一个进程的基础上创建出另一条完全独立的进程，这个就是子进程，相当于父进程的副本。

在Linux中，程序员可以通过pid_t fork()函数即可为当前进程创建出一个子进程：

【注意】：fork()函数如果成功返回，其返回值有两个，但两个返回值并不可能返回给一个进程，而是分别返回给父子进程：父进程收到的返回值 > 0、子进程收到的返回值 = 0；

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例：为一个进程创建子进程并让父子进程执行不同的任务（通过fork函数的返回值区分父子进程）[请在Linux环境测试，windows不支持fork函数]

#include 
#include 

// 测试创建子进程函数 pid_t fork();
int main()
{
    pid_t pid = fork();
    if(-1 == pid)
    {
        //创建子进程失败
        return -1;
    }
    if(0 == pid)
    {
        //子进程
        printf("I am child, my pid：%d, ppid：%d\n",getpid(),getppid());
        sleep(5);
    }
    else
    {
        //父进程        
        printf("I am father, my pid：%d, ppid：%d\n",getpid(),getppid());
        sleep(5);
    }
    return 0;
}

ppid 指当前进程的父进程的PID号，可以看到：child 的 ppid == father 的pid

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父子进程特性

1. 子进程完全拷贝父进程的PCB，但并不是同一个（后序会讲到写时拷贝）

2. 代码共享，数据独有。

   我们知道进程的PCB中有指向该程序在内存上数据的指针，并且保留了上下文信息，那么子进程修改一个变量是否会影响到地址相同的父进程变量？
   

   我们在子进程中修改变量a的值，并将变量a的值打印处理，看到子进程对变量a的修改竟然并不影响父进程相同地址的变量值 ！
   
   这样的结果也说明了父子进程虽然代码共享，但数据是各自独有的。这是因为OS中的虚拟内存机制（详见后续博客），这样的机制保证了父子进程独立运行互不干扰。

3. 子进程从代码的fork之后才汇编执行

   子进程拷贝父进程PCB，而父进程执行时在PCB存储了程序计数器与上下文信息，因此虽然父子进程代码共享，但子进程并不会从代码起始从新运行。

   这种机制也避免了子进程创建后再次执行fork()函数，从而无限创建子进程

4. 用户能够在命令行中执行的进程，其父进程都是：bash（centos的shell）

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为什么有父子进程？

也就是说，创建子进程有什么作用？

通过父子进程特性可以看到，子进程与父进程有着很强的关联，但其运行过程并不影响父进程；

因此子进程也被称为父进程的守护进程：当一个进程需要做一些可能发生阻塞或中断的任务，父进程可通过子进程去做，来避免自己进程的崩溃。

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僵尸进程（defunct进程）

什么是僵尸进程？

直白来说，就是子进程先于父进程退出，子进程就会变成僵尸进程

#include 
#include 

// 制作僵尸进程
// 子进程在父进程运行时退出
// 子进程的退出状态信息父进程就无法回收
int main()
{
    // 创建子进程
    int ret = fork();
    if(ret < 0)
    {
        return -1;
    }
    else if(ret == 0)
    {
        // 子进程
        printf("this is child!\n");
    }
    else
    {
        // 父进程
        // 一直死循环运行
        while(1)
        {
            printf("this is father!\n");
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

僵尸进程的底层原因

一个进程在退出的时，会关闭所有的文件描述符，释放在用户空间中分配的内存，但是该进程的 PCB 仍会暂时保留，因为里面还存放着进程的退出状态以及统计信息等，这些PCB的信息均需该进程的父进程接收。

Linux下任何进程都有父进程，即每个进程的PCB都需由其父进程回收（除了0号进程）

Linux下有3个特殊的进程，idle进程(PID=0) ，init进程(PID=1) 和 kthreadd进程(PID=2)

idle进程（0号进程）是系统所有进程的先祖，内核静态创建的，运行在内核态；这也是唯一一个没有通过fork或者kernel_thread产生的进程；

init进程（1号进程） 是系统中所有其它用户进程的祖先进程，由0进程创建，完成系统的初始化；

Linux中的所有进程都是有 init进程 创建并运行的，这个流程大概是：首先Linux内核启动，然后在用户空间中启动init进程，再启动其他系统进程。在系统进程启动完成后，init将变为守护进程监视系统其他进程。

若用户形成一个孤儿进程，该孤儿进程会转由1号进程回收其PCB信息；（后续详谈）

kthreadd进程（2号进程）由0进程创建，始终运行在内核空间， 负责所有内核线程的调度和管理；

父进程如何回收子进程的PCB信息：

• 子进程退出时，会为父进程发送SIGCHLD信号（进程信号详谈）
• 父进程需要主动捕捉这个信号才能回收子进程的PCB信息

但是当父进程正处于运行或睡眠状态，是无法接收子进程的退出信号, 子进程的退出状态信息无法被回收，其PCB将一直存在于内存（也就是变成所谓的僵尸态），久而久之便会造成内存泄漏。

僵尸进程的危害与解决方法

危害：
子进程在内存上的PCB无法释放，会造成内存泄漏！
且一旦造成僵尸进程，通过kill -9强杀指令也无法终止该指令；因此在编码时要坚决避免僵尸进程！

解决方法：

1. （不推荐）重启OS，僵尸进程自动释放；
2. （不推荐）杀死父进程，子进程由僵尸进程转为孤儿进程，PCB由1号进程回收；
3. 进行进程等待（父进程一旦创建子进程，一定要配套增减进程等待机制，以此避免僵尸进程）；
   （进程等待详见下篇博客）

孤儿进程

什么是孤儿进程？

直白来说，就是父进程先于子进程退出，子进程就会变成孤儿进程；
注意：没有孤儿状态！

#include 
#include 

// 测试孤儿进程
// 让父进程先于子进程退出

int main()
{
    int ret = fork();
    if(ret < 0)
    {
        return -1;
    }
    if(ret == 0)
    {
        // 子进程
        while(1)  //让子进程不退出观察其状态
        {
            printf("this is child!\n");
            printf("my pid:%d, my ppid:%d\n",getpid(),getppid());
            sleep(3);
        }
    }
    else
    {
        // 父进程
        printf("this is father!\n");
        printf("my pid:%d, my ppid:%d\n",getpid(),getppid());
        sleep(10);
    }
    return 0;
}

孤儿进程的后果

孤儿进程的出现流程：

• 父进程先于子进程退出后，回收子进程的父进程就不在了，会使子进程变成孤儿；
• 随即该孤儿进程会马上被操作系统的1号进程领养；
• 该进程的PCB回收也由1号进程完成；

孤儿进程的危害：孤儿进程由系统回收，没有危害；

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参考：

1. 进程概念——进程本质与PCB（进程控制块）
2. Linux下1号进程的前世(kernel_init)今生(init进程)----Linux进程的管理与调度（六）