什么是僵尸进程

什么是僵尸进程

1. 僵尸进程的定义

• 僵尸进程是指那些已经终止执行（即已经调用了exit()或者完成了main()函数），但其父进程尚未通过wait()或waitpid()系统调用获取其退出状态的进程。
• 在进程的生命周期中，当一个子进程结束时，它会将其退出状态信息（包括退出码、资源使用情况等）发送给其父进程。如果父进程没有及时读取这些信息，子进程就会变成僵尸状态。

2. 僵尸进程的生命周期

1. 创建阶段：父进程通过fork()创建一个子进程。
2. 执行阶段：子进程执行其任务。
3. 终止阶段：子进程完成任务后调用exit()终止。
4. 僵尸阶段：子进程终止后，其进程号（PID）和退出状态被保留在进程表中，等待父进程读取。
5. 清理阶段：父进程调用wait()或waitpid()读取子进程的退出状态，系统从进程表中移除僵尸进程。

3. 僵尸进程的原因

• 父进程未调用wait()或waitpid()：当子进程终止时，父进程未能及时调用这些系统调用来获取子进程的退出状态，导致子进程信息无法被清理。
• 父进程忽略SIGCHLD信号：子进程终止时，内核会向父进程发送SIGCHLD信号，通知其有子进程已终止。如果父进程忽略或未处理该信号，子进程可能无法被及时回收。
• 父进程自身终止：如果父进程在子进程终止前就已结束，子进程将被init进程（PID为1的进程）收养。init会定期调用wait()来清理任何孤儿进程，包括僵尸进程。

4. 僵尸进程的影响

• 资源占用：僵尸进程不会占用系统资源（如CPU和内存），因为它们已经终止。但它们仍然占用进程表中的一个条目，且保留了一些退出状态信息。
• 进程表溢出：如果系统中积累大量僵尸进程，可能会耗尽进程表中的可用条目，导致新的进程无法创建。这虽然在现代系统中较为罕见，但在编写不当的应用程序中可能会发生。

5. 检测僵尸进程

使用ps命令可以查看系统中的僵尸进程。例如：

ps aux | grep Z

在输出中，僵尸进程通常会显示为状态Z，例如：

username  1234  0.0  0.0      0     0 ?        Z    10:00   0:00 [process_name] <defunct>

6. 处理僵尸进程

1. 确保父进程调用wait()或waitpid()

在编写多进程程序时，父进程应确保在合适的时机调用wait()或waitpid()来回收子进程。这可以通过以下方式实现：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if (pid == 0) {
        // 子进程执行
        printf("子进程PID: %d\n", getpid());
        exit(0);
    }
    else {
        // 父进程等待子进程结束
        int status;
        waitpid(pid, &status, 0);
        printf("子进程已结束，PID: %d\n", pid);
    }

    return 0;
}

2. 处理SIGCHLD信号

父进程可以通过设置信号处理函数来自动处理子进程的终止，从而避免僵尸进程的产生。例如：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void sigchld_handler(int signo) {
    (void)signo; // 避免未使用参数的警告
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
}

int main() {
    struct sigaction sa;
    sa.sa_handler = sigchld_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP;
    if (sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL) == -1) {
        perror("sigaction");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if (pid == 0) {
        // 子进程执行
        printf("子进程PID: %d\n", getpid());
        exit(0);
    }
    else {
        // 父进程继续执行其他任务
        printf("父进程PID: %d，等待子进程终止...\n", getpid());
        // 模拟父进程执行
        sleep(5);
    }

    return 0;
}

3. 终止不必要的父进程

如果父进程不再需要对子进程的管理，可以让子进程成为init（PID为1）的子进程。init会自动回收子进程，防止僵尸进程的产生。可以通过“双重派生”（double-fork）技术实现：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if (pid == 0) {
        // 第一个子进程
        pid_t pid2 = fork();
        if (pid2 < 0) {
            perror("fork");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        else if (pid2 > 0) {
            // 第一个子进程退出
            exit(0);
        }
        else {
            // 第二个子进程成为孤儿进程，被init收养
            printf("孤儿进程PID: %d\n", getpid());
            // 执行任务
            sleep(10);
            exit(0);
        }
    }
    else {
        // 父进程等待第一个子进程退出
        wait(NULL);
        // 父进程继续执行
        printf("父进程继续执行...\n");
        sleep(15);
    }

    return 0;
}

7. 示例：僵尸进程的产生与消除

1. 创建僵尸进程

以下示例展示了如何产生一个僵尸进程。在该示例中，父进程创建子进程后不调用wait()，导致子进程在终止后变成僵尸状态。

// zombie_example.cpp
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    pid_t pid = fork();

    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    else if (pid == 0) {
        // 子进程执行
        printf("子进程PID: %d，即将终止。\n", getpid());
        exit(0);
    }
    else {
        // 父进程不调用 wait()，睡眠以保留子进程为僵尸状态
        printf("父进程PID: %d，子进程PID: %d 已创建。\n", getpid(), pid);
        printf("父进程进入睡眠，不调用 wait()。\n");
        sleep(30);
    }

    return 0;
}

编译与运行：

g++ zombie_example.cpp -o zombie_example
./zombie_example

观察僵尸进程：

在父进程睡眠期间，使用ps命令查看系统中的僵尸进程：

ps aux | grep Z

输出：

username  1234  0.0  0.0      0     0 ?        Z    10:00   0:00 [zombie_example] <defunct>

2. 消除僵尸进程

要消除僵尸进程，可以通过以下方法之一：

让父进程调用wait()或waitpid()：修改父进程代码，使其在子进程结束后调用wait()，如下：

// 修改后的父进程部分
else {
    printf("父进程PID: %d，子进程PID: %d 已创建。\n", getpid(), pid);
    printf("父进程等待子进程终止。\n");
    waitpid(pid, NULL, 0);
    printf("子进程已被回收。\n");
}

这将确保子进程在终止后不再处于僵尸状态。

• 使用信号处理：如前文所述，通过设置SIGCHLD信号处理函数，自动回收子进程。
• 终止父进程：如果父进程终止，僵尸子进程会被init进程收养，init会调用wait()回收其退出状态，从而消除僵尸进程。

8. 总结

• 僵尸进程是已经终止但其资源尚未被完全释放的进程，主要原因是父进程未及时回收其退出状态。
• 影响：虽不直接占用资源，但大量僵尸进程可能导致系统资源耗尽。
• 预防与处理
  • 父进程应及时调用wait()或waitpid()回收子进程。
  • 使用信号处理机制自动回收子进程。
  • 使用双重派生技术避免僵尸进程的产生。

理解和正确处理僵尸进程对于维护系统的稳定性和可靠性至关重要，特别是在开发需要频繁创建和管理子进程的应用程序时。