《Linux应用进程控制 — 特殊的进程》

Posted 2020-12-10 一个不知道干嘛的小萌新

1. 僵尸进程

1.1 僵尸进程的概念　

　　如果一个进程已经终止，但是它的父进程尚未调用 wait() 或 waitpid() 对它进行清理，这时的进程状态称为僵死状态，处于僵死状态的进程称为僵尸进程(zombie process)。任何进程在刚终止时都是僵尸进程，正常情况下，僵尸进程都立刻被父进程清理了。如果父进程先退出 ，子进程被init接管，子进程退出后init会回收其占用的相关资源。

实例：

　　父进程 fork 出子进程，子进程终止，而父进程既不终止也不调用 wait 清理子进程：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(void)
{
  int i = 100;
  pid_t pid=fork();
  if(pid < 0)
  {
    perror("fork failed.");
    exit(1);
  }
  if(pid > 0)
  {
    printf("This is the parent process. My PID is %d.\\n", getpid());
    for(; i > 0; i--)
    {
      sleep(1);
    }
  }
  else if(pid == 0)
  {
    printf("This is the child process. My PID is: %d. My PPID is: %d.\\n", getpid(), getppid());
  }
  return 0;
}

　　把上面的代码保存到文件 zomprocdemo.c 文件中，并执行下面的命令编译：

$ gcc zomprocdemo.c -o zomprocdemo

　　然后运行编译出来的 zomprocdemo 程序：

$ ./zomprocdemo

　　

 

 　　此时子进程已经退出，但是父进程没有退出也没有通过 wait() 调用处理子进程。我们使用 ps 命令查看进程的状态：

　　

 

 　　上图红框中的大写字母 "Z" 说明 PID 为 112712 的进程此时处于僵死的状态。

　　在结束 sleep 后父进程退出。当父进程退出后，子进程会变成孤儿进程，此时它会被一个init进程收养。

　　init进程就是 wiat() 这些孤儿进程，并最终释放它们占用的系统进程表中的资源。这样，这些已经僵死的孤儿进程就彻底的被清除了。

1.2 僵尸进程的危害：

　　在进程退出的时候，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 PID，退出状态 the termination status of the process，运行时间 the amount of CPU time taken by the process 等)。直到父进程通过 wait / waitpid 来取时才释放。

　　如果进程不调用 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，但是系统所能使用的进程号是有限的，如果大量的产生僵死进程，将因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程。

1.3 如何避免僵尸进程：

1.在fork子进程后，父进程应该调用wait()和waitpid()函数等待子进程结束。（但是如果直接采用wait()函数会导致阻塞）

2.当父进程没有调用wait()或waitpid()函数的时候，可以直接kill掉父进程，让子进程成为孤儿进程，init进程会去接管孤儿进程。（通常不采取这种方法）

3.当子进程终止时，内核就会向它的父进程发送一个SIGCHLD信号，父进程可以选择忽略该信号，也可以提供一个接收到信号以后的处理函数。对于这种信号的系统默认动作是忽略它。

实例：

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);

　　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);
　　}
}

　　为了防止产生僵尸进程，在fork子进程之后我们都要wait它们；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。

　　 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：

　　

　　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：

　　

 

 　　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：

　　

 　　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。（http://www.cnblogs.com/yuxingfirst/p/3160697.html） 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>

typedef void sigfunc(int);

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;
}

sigfunc* signal( int signo, sigfunc *func ) {
    struct sigaction act, oact;
    act.sa_handler = func;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags = 0;
    if ( signo == SIGALRM ) {
#ifdef            SA_INTERRUPT
        act.sa_flags |= SA_INTERRUPT;    /* SunOS 4.x */
#endif
    } else {
#ifdef           SA_RESTART
        act.sa_flags |= SA_RESTART;    /* SVR4, 4.4BSD */
#endif
    }
    if ( sigaction(signo, &act, &oact) < 0 ) {
        return SIG_ERR;
    }
    return oact.sa_handler;
} 


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);
}

1.5 wait和waitpid函数：

调用wait或waitpid的进程会发生什么：

• 如果其所有子进程都还在运行，则阻塞。
• 如果一个子进程已终止，正等待父进程会获取其终止状态，然后立即返回。
• 如果没有任何子进程，则立即出错返回。

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *statloc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statloc, int options);

两个函数返回值：成功，返回进程ID；出错：返回0或-1

　　参数status用来保存被收集进程退出时的一些状态，它是一个指向int类型的指针。但如果我们对这个子进程是如何死掉的毫不在意，只想把这个僵尸进程消灭掉，（事实上绝大多数情况下，我们都会这样想），我们就可以设定这个参数为NULL，就象下面这样：pid=wait(NULL)；

这两个函数的区别：

• 在一个子进程终止前，wait使其调用者阻塞，而waitpid有一个选项，可使调用者不阻塞。
• waitpid并不等待在其调用之后额第一个终止子进程，它有若干个选项，可以控制它所等待的进程。

 

2. 孤儿进程

　　如果父进程退出而它的一个或多个子进程还在运行，那么这些子进程就被称为孤儿进程孤儿进程最终将被 init 进程 (进程号为 1 的 init进程) 所收养并由 init 进程完成对它们的状态收集工作。

　　孤儿进程是没有危害的，孤儿进程是没有父进程的子进程，当孤儿进程没有父进程时，内核就会init设置为孤儿进程的父进程，init进程就会调用wait去释放那些已经退出的子进程，当孤儿进程完成其声明周期之后，init会释放掉其状态信息。孤儿进程实际上是不占用资源的，不会像僵尸进程那样占用ID,损害运行系统。
　　注意：一个子进程结束，必然先变成僵尸进程。如果父进程有调用wait()或waitpid()函数，则会将资源释放。如果父进程先于子进程结束，那么子进程是在运行期间直接变成孤儿进程，进而被init进程接管，在子进程结束运行后，init进程会自动调用wait函数去释放资源。也就是一个子进程结束运行后必然都会变成僵尸进程知道父进程调用wait()或waitpid()。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<sys/types.h>
 
int main()
{
	pid_t pid=fork();
 
	if(pid==0)
	{
		printf("child ppid is %d\\n",getppid());
		sleep(10);     //为了让父进程先结束
		printf("child ppid is %d\\n",getppid());
	}
	else
	{
		printf("parent id is %d\\n",getpid());
	}
 
	exit(0);
}

　　

 

 

 　　从执行结果来看，此时由pid == 4168父进程创建的子进程，其输出的父进程pid == 1，说明当其为孤儿进程时被init进程回收，最终并不会占用资源，这就是为什么要将孤儿进程分配给init进程。

 

3.守护进程

3.1 守护进程的概念

　　Linux Daemon（守护进程）是运行在后台的一种特殊进程。它独立于控制终端并且周期性地执行某种任务或等待处理某些发生的事件。它不需要用户输入就能运行而且提供某种服务，不是对整个系统就是对某个用户程序提供服务。Linux系统的大多数服务器就是通过守护进程实现的。常见的守护进程包括系统日志进程syslogd、 web服务器httpd、邮件服务器sendmail和数据库服务器mysqld等。

　　守护进程一般在系统启动时开始运行，除非强行终止，否则直到系统关机都保持运行。守护进程经常以超级用户（root）权限运行，因为它们要使用特殊的端口（1-1024）或访问某些特殊的资源。

　　一个守护进程的父进程是init进程，因为它真正的父进程在fork出子进程后就先于子进程exit退出了，所以它是一个由init继承的孤儿进程。守护进程是非交互式程序，没有控制终端，所以任何输出，无论是向标准输出设备stdout还是标准出错设备stderr的输出都需要特殊处理。

　　守护进程的名称通常以d结尾，比如sshd、xinetd、crond等。

3.2 创建守护进程的步骤

　　首先我们要了解一些基本概念：

进程组 ：

• 每个进程也属于一个进程组
• 每个进程组都有一个进程组号，该号等于该进程组组长的PID号 .
• 一个进程只能为它自己或子进程设置进程组ID号

会话期：

　　会话期(session)是一个或多个进程组的集合。

setsid()函数可以建立一个对话期：

　　如果，调用setsid的进程不是一个进程组的组长，此函数创建一个新的会话期。　

　　(1)此进程变成该对话期的首进程。

　　(2)此进程变成一个新进程组的组长进程。

　　(3)此进程没有控制终端，如果在调用setsid前，该进程有控制终端，那么与该终端的联系被解除。 如果该进程是一个进程组的组长，此函数返回错误。

　　(4)为了保证这一点，我们先调用fork()然后exit()，此时只有子进程在运行。

编写守护进程的一般步骤步骤：　　

　　（1）在父进程中执行fork并exit推出；

　　（2）在子进程中调用setsid函数创建新的会话；

　　（3）在子进程中调用chdir函数，让根目录 ”/” 成为子进程的工作目录；

　　（4）在子进程中调用umask函数，设置进程的umask为0；

　　（5）在子进程中关闭任何不需要的文件描述符

说明：

(1)在后台运行

为避免挂起控制终端将Daemon放入后台执行。方法是在进程中调用fork使父进程终止，让Daemon在子进程中后台执行。
if(pid=fork())
exit(0);//是父进程，结束父进程，子进程继续

(2)脱离控制终端，登录会话和进程组

有必要先介绍一下Linux中的进程与控制终端，登录会话和进程组之间的关系：进程属于一个进程组，进程组号（GID）就是进程组长的进程号（PID）。登录会话可以包含多个进程组。这些进程组共享一个控制终端。这个控制终端通常是创建进程的登录终端。
控制终端，登录会话和进程组通常是从父进程继承下来的。我们的目的就是要摆脱它们，使之不受它们的影响。方法是在第1点的基础上，调用setsid()使进程成为会话组长：
setsid();
说明：当进程是会话组长时setsid()调用失败。但第一点已经保证进程不是会话组长。setsid()调用成功后，进程成为新的会话组长和新的进程组长，并与原来的登录会话和进程组脱离。由于会话过程对控制终端的独占性，进程同时与控制终端脱离。

(3)禁止进程重新打开控制终端

现在，进程已经成为无终端的会话组长。但它可以重新申请打开一个控制终端。可以通过使进程不再成为会话组长来禁止进程重新打开控制终端：
if(pid=fork())
exit(0);//结束第一子进程，第二子进程继续（第二子进程不再是会话组长）

(4)关闭打开的文件描述符

进程从创建它的父进程那里继承了打开的文件描述符。如不关闭，将会浪费系统资源，造成进程所在的文件系统无法卸下以及引起无法预料的错误。按如下方法关闭它们：
for(i=0;i 关闭打开的文件描述符close(i);

(5)改变当前工作目录

进程活动时，其工作目录所在的文件系统不能卸下。一般需要将工作目录改变到根目录。对于需要转储核心，写运行日志的进程将工作目录改变到特定目录如/tmpchdir("/")

(6)重设文件创建掩模

进程从创建它的父进程那里继承了文件创建掩模。它可能修改守护进程所创建的文件的存取位。为防止这一点，将文件创建掩模清除：umask(0);

(7)处理SIGCHLD信号

处理SIGCHLD信号并不是必须的。但对于某些进程，特别是服务器进程往往在请求到来时生成子进程处理请求。如果父进程不等待子进程结束，子进程将成为僵尸进程（zombie）从而占用系统资源。如果父进程等待子进程结束，将增加父进程的负担，影响服务器进程的并发性能。在Linux下可以简单地将SIGCHLD信号的操作设为SIG_IGN。
signal(SIGCHLD,SIG_IGN);
这样，内核在子进程结束时不会产生僵尸进程。这一点与BSD4不同，BSD4下必须显式等待子进程结束才能释放僵尸进程。

3.3 创建守护进程

#include <unistd.h>

pid_t setsid(void);
作用：调用进程必须是非当前进程组组长，调用后，产生一个新的会话期，且该会话期中只有一个进程组，且该进程组组长为调用进程，没有控制终端，新产生的group ID 和 session ID 被设置成调用进程的PID
返回值：
　　成功返回新的session ID，失败返回-1

　　以下程序是创建一个守护进程，然后利用这个守护进程每个一分钟向daemon.log文件中写入当前时间

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>

#define ERR_EXIT(m) \\
do\\
{\\
    perror(m);\\
    exit(EXIT_FAILURE);\\
}\\
while (0);\\

void creat_daemon(void);
int main(void)
{
    time_t t;
    int fd;
    creat_daemon();
    while(1){
        fd = open("daemon.log",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0644);
        if(fd == -1)
            ERR_EXIT("open error");
        t = time(0);
        char *buf = asctime(localtime(&t));
        write(fd,buf,strlen(buf));
        close(fd);
        sleep(60);
            
    }
    return 0;
}
void creat_daemon(void)
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if( pid == -1)
        ERR_EXIT("fork error");
    if(pid > 0 )
        exit(EXIT_SUCCESS);
    if(setsid() == -1)
        ERR_EXIT("SETSID ERROR");
    chdir("/");
    int i;
    for( i = 0; i < 3; ++i)
    {
        close(i);
        open("/dev/null", O_RDWR);
        dup(0);
        dup(0);
    }
    umask(0);
    return;
}

结果：

 　　

 

　　结果显示：当我一普通用户执行a.out时，进程表中并没有出现新创建的守护进程，但当我以root用户执行时，成功了，并在/目录下创建了daemon.log文件，cat查看后确实每个一分钟写入一次。为什么只能root执行，那是因为当我们创建守护进程时，已经将当前目录切换我/目录，所以当我之后创建daemon.log文件是其实是在/目录下，那肯定不行，因为普通用户没有权限，或许你会问那为啥没报错呢？其实是有出错，只不过我们在创建守护进程时已经将标准输入关闭并重定向到/dev/null，所以看不到错误信息。

3.4 利用库函数daemon()创建守护进程

　　其实我们完全可以利用daemon()函数创建守护进程，其函数原型：

#include <unistd.h>

int daemon(int nochdir, int noclose);

功能：创建一个守护进程

参数：

　　nochdir：=0将当前目录更改至“/”

　　noclose：=0将标准输入、标准输出、标准错误重定向至“/dev/null”

返回值：

　　成功：0；  失败：-1

 

　　现在我们利用daemon()改写刚才那个程序：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>

#define ERR_EXIT(m) \\
do\\
{\\
    perror(m);\\
    exit(EXIT_FAILURE);\\
}\\
while (0);\\

void creat_daemon(void);
int main(void)
{
    time_t t;
    int fd;
    if(daemon(0,0) == -1)
        ERR_EXIT("daemon error");
    while(1){
        fd = open("daemon.log",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0644);
        if(fd == -1)
            ERR_EXIT("open error");
        t = time(0);
        char *buf = asctime(localtime(&t));
        write(fd,buf,strlen(buf));
        close(fd);
        sleep(60);
            
    }
    return 0;
}

　　当daemon(0,0)时：

　　

　　结果同刚才一样，也是只有root才能成功，普通用户执行时看不到错误信息

　　现在让daemon(0,1)，就是不关闭标准输入输出结果：

　　　

　　可以看到错误信息

　　现在让daemon(1,0),就是不重定向，结果如下：

　　　

　　这次普通用户执行成功了，以为没有切换到/目录下，有权限

　　其实我们可以利用我们刚才写的创建守护进程程序默认daemon()实现：

　　代码如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>

#define ERR_EXIT(m) \\
do\\
{\\
    perror(m);\\
    exit(EXIT_FAILURE);\\
}\\
while (0);\\

void creat_daemon(int nochdir, int noclose);
int main(void)
{
    time_t t;
    int fd;
    creat_daemon(0,0);
    while(1){
        fd = open("daemon.log",O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND,0644);
        if(fd == -1)
            ERR_EXIT("open error");
        t = time(0);
        char *buf = asctime(localtime(&t));
        write(fd,buf,strlen(buf));
        close(fd);
        sleep(60);
            
    }
    return 0;
}
void creat_daemon(int nochdir, int noclose)
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if( pid == -1)
        ERR_EXIT("fork error");
    if(pid > 0 )
        exit(EXIT_SUCCESS);
    if(setsid() == -1)
        ERR_EXIT("SETSID ERROR");
    if(nochdir == 0)
        chdir("/");
    if(noclose == 0){
            int i;
    for( i = 0; i < 3; ++i)
    {
        close(i);
        open("/dev/null", O_RDWR);
        dup(0);
        dup(0);
    }

    umask(0);
    return;
}