Linux socket编程(4):服务端fork之僵尸进程的处理

在上一节利用fork实现服务端与多个客户端建立连接中，我们使用fork函数来实现服务端既可以accept新的客户端连接请求，又可以接收已连接上的客户端发来的消息。但在Linux中，在子进程终止后，父进程需要处理该子进程的终止状，否则子进程将成为僵尸进程，本节就来探讨一下僵尸进程的处理。

1 什么是僵尸进程

僵尸进程(Zombie Process)是操作系统中的一种特殊进程状态，它通常出现在一个子进程终止，但其父进程尚未能够处理该子进程的终止状态。

1. 特点：

   僵尸进程不执行任何代码，它们仅仅是一个进程描述符和一些状态信息，如退出状态码，占用少量系统资源。如果大量的僵尸进程积累，可能会导致系统资源耗尽。

2. 解决方法：

   • 当子进程终止时，父进程可以使用wait()或waitpid()等系统调用来等待子进程的退出状态信息，从而释放子进程的资源，同时告知操作系统可以回收子进程的进程表项
   • 另一种方法是使用信号处理程序，在父进程中注册SIGCHLD信号处理程序来处理子进程的退出状态

在上一篇文章的例子中，如果在客户端的进程终止后，服务端没有回收子进程的话，将产生一个僵尸进程。

我们可以使用top指令来看系统中现在有多少个僵尸进程：

我们还可以使用ps -aux |grep Z来查看具体的僵尸进程的信息：

图中STAT(状态)为Z+(Zombie)的即为僵尸进程。

2 回收僵尸进程

2.1 SIG_IGN忽略

最简单的，我们可以使用SIG_IGN来忽略SIGCHLD信号，这样内核会在子进程终止时立即将其资源释放，而不需要父进程调用wait或waitpid来获取子进程的终止状态以释放资源。

可以看到此时是没有产生僵尸进程的：

2.2 wait和waitpid

使用signal(SIGCHLD, SIG_IGN);的方式处理僵尸进程有一些局限性和潜在的问题：

1. 父进程无法得知子进程是正常退出还是异常终止，以及子进程的退出状态是什么。
2. 父进程无法正确处理每个子进程的终止状态。

如果需要掌握子进程退出的情况，建议注册信号回调函数，然后使用wait或waitpid来处理僵尸进程。

2.2.1 wait

如下图所示，可以使用wait函数来回收子进程的资源。

运行程序，创建一个客户端然后关闭，再创建一个客户端然后再关闭，结果如下：

可以看到服务端正常地回收了资源，此时使用top查看也是没有僵尸进程的。

但是在多个客户端同时关闭的情况下，wait会产生问题

我们现在对客户端的代码做出如下修改：

现在来看一下这10个套接字同时退出后会发生什么：

可以看到我们注册的SIGCHLD回调函数只被触发了4次，也就是说只有4个子进程的资源被回收了。此时用top查看僵尸进程的数量，果然还有6个：

实际上也好理解，这些套接字在非常短的时间间隔内同时关闭，对于Linux的内核来看，应该是有一个进程专门用来处理这些信号，在上一个信号还在处理的同时又来了多个信号，那么下次OS只会响应一个信号，而不会调用多次回调函数，然后调用一次wait就回收一个子进程。

所以如果我们多次测试，可以发现每次被回收的进程的数量都是不同的，这和OS内部的任务调度有关，但基本上不可能10个全部回收。

那我们是否可以在sigchld_handler中调用while循环无限地wait来解决这个问题呢？

答案是否定的。因为 wait 是一个阻塞调用，会导致信号处理函数阻塞，而信号处理函数的处理应该尽量迅速。

2.2.1 waitpid

这时我们就可以使用waitpid函数：

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

其中第三个参数options的常用值如下(可以使用按位或运算符|组合多个选项)：

• WNOHANG：在没有终止的子进程时立即返回，不阻塞。如果指定了这个选项，waitpid 将立即返回，不会等待子进程终止。
• WUNTRACED：也等待已停止的子进程的状态。
• WCONTINUED：也等待被停止的子进程被继续的状态。

所以我们只要在信号处理回调函数中使用waitpid(-1, &status, WNOHANG)即可避免前面回收资源不完全的情况。

void sigchld_handler(int signo) {
    pid_t pid;
    int status;
    // 在信号处理函数中循环调用waitpid以获取所有子进程的终止状态,其中-1表示等待任意子进程
    while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0) {
        printf("Child process %d exited with status %d\n", pid, WEXITSTATUS(status));
    }
}

结果如下：

这样就回收了所有的僵尸进程的资源。