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Linux 僵尸进程与孤儿进程

- - 1. 僵尸进程 (Zombie Process)
  - - 1.1 什么是僵尸进程
    - 1.2 僵尸进程的产生
    - 1.3 僵尸进程的危害
    - 1.4 如何处理僵尸进程
  - 2. 孤儿进程 (Orphan Process)
  - - 2.1 什么是孤儿进程
    - 2.2 孤儿进程的特点
    - 2.3 孤儿进程的应用

在 Linux 系统中，进程是资源分配和调度的基本单位。每个进程都有其生命周期，从创建到终止。然而，当一个进程终止时，它并不会立即从系统中完全移除，而是会经历一些特殊的状态，例如僵尸进程和孤儿进程

在这里插入图片描述

1. 僵尸进程 (Zombie Process)

1.1 什么是僵尸进程

当一个进程调用 exit() 函数正常或异常终止时，内核会将进程的状态设置为终止状态，并保留进程的一些信息，例如退出码、CPU 使用时间等。此时，进程的绝大部分资源（如内存、文件描述符等）都会被释放，但进程的进程控制块（PCB）仍然保留在系统中，以便父进程可以获取子进程的退出信息。这种处于终止状态但仍然占用少量系统资源的进程被称为僵尸进程。

1.2 僵尸进程的产生

当一个父进程创建了一个子进程后，子进程终止时，会向父进程发送一个 SIGCHLD 信号。父进程可以选择忽略该信号，也可以通过调用 wait() 或 waitpid() 等函数来处理子进程的退出。如果父进程没有及时处理子进程的退出信息，那么子进程就会变成僵尸进程。

1.3 僵尸进程的危害

僵尸进程本身不会占用大量的系统资源，但如果系统中存在大量的僵尸进程，可能会导致以下问题：

进程 ID 耗尽： 每个进程都需要一个唯一的进程 ID。如果大量的进程终止后变成僵尸进程，而父进程又没有及时回收它们，那么系统中的可用进程 ID 可能会被耗尽，导致无法创建新的进程。
系统资源浪费： 僵尸进程虽然占用的资源不多，但毕竟还是占用着一些系统资源，例如进程表项。如果僵尸进程过多，可能会导致系统资源浪费。

1.4 如何处理僵尸进程

处理僵尸进程的方法主要有两种：

等待子进程结束： 父进程应该及时调用 wait() 或 waitpid() 等函数来等待子进程结束，并获取子进程的退出信息。这样可以避免子进程变成僵尸进程。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {pid_t pid;int status;pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process is running...\n");exit(0);} else if (pid > 0) {// 父进程printf("Parent process is waiting for child process...\n");wait(&status); // 等待子进程结束printf("Child process has finished.\n");} else {// 创建子进程失败perror("fork failed");return 1;}// 判断子进程退出状态if (WIFEXITED(status)) {// 子进程正常退出printf("Child process exited normally with status %d\n", WEXITSTATUS(status));} else if (WIFSIGNALED(status)) {// 子进程被信号终止printf("Child process terminated by signal %d\n", WTERMSIG(status));}return 0;
}

在上面的代码中，我们使用了 WIFEXITED() 和 WIFSIGNALED() 两个宏来判断子进程的退出状态。

WIFEXITED(status)：如果子进程是正常退出（通过调用 exit() 或 return ），则返回 true。此时，可以通过 WEXITSTATUS(status) 宏来获取子进程的退出码。
WIFSIGNALED(status)：如果子进程是被信号终止的，则返回 true。此时，可以通过 WTERMSIG(status) 宏来获取导致子进程终止的信号编号。
杀死父进程： 如果父进程不再需要子进程的信息，可以直接杀死父进程。这样，子进程就会被 init 进程接管，并由 init 进程负责回收。

此外，还可以通过以下方法避免僵尸进程：

忽略 SIGCHLD 信号： 父进程可以通过 signal(SIGCHLD, SIG_IGN) 通知内核，表示自己对子进程的退出不感兴趣。这样，子进程退出后会立即释放数据结构，不会变成僵尸进程。

#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process is running...\n");exit(0);} else if (pid > 0) {// 父进程printf("Parent process is running...\n");signal(SIGCHLD, SIG_IGN); // 忽略 SIGCHLD 信号while (1) {// 父进程执行其他任务sleep(1);}} else {// 创建子进程失败perror("fork failed");return 1;}return 0;
}

使用 wait3() 或 wait4() 函数： 这两个函数提供了更多的选项来处理子进程的退出状态，例如可以获取子进程的资源使用情况。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/resource.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {pid_t pid;int status;struct rusage usage;pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process is running...\n");exit(0);} else if (pid > 0) {// 父进程printf("Parent process is waiting for child process...\n");wait4(pid, &status, 0, &usage); // 等待子进程结束，并获取资源使用情况printf("Child process has finished.\n");} else {// 创建子进程失败perror("fork failed");return 1;}return 0;
}

2. 孤儿进程 (Orphan Process)

2.1 什么是孤儿进程

当一个父进程在子进程之前终止时，子进程就会变成孤儿进程。此时，init 进程（进程 ID 为 1）会自动接管孤儿进程，成为它们的父进程。

2.2 孤儿进程的特点

父进程： 孤儿进程的父进程是 init 进程。
生命周期： 孤儿进程的生命周期与 init 进程相同。当 init 进程终止时，所有孤儿进程也会被终止。
资源回收： init 进程会负责回收孤儿进程的资源，因此孤儿进程不会像僵尸进程那样占用系统资源。

2.3 孤儿进程的应用

孤儿进程在某些场景下非常有用。例如，守护进程通常会创建子进程来执行一些后台任务，而守护进程本身则会继续运行。在这种情况下，子进程就可能成为孤儿进程。

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {pid_t pid;pid = fork();if (pid == 0) {// 子进程printf("Child process is running...\n");while (1) {// 子进程执行一些任务sleep(1);}} else if (pid > 0) {// 父进程printf("Parent process is exiting...\n");exit(0); // 父进程退出} else {// 创建子进程失败perror("fork failed");return 1;}return 0;
}