使用SIGCHLD信号异步清理子进程

2015年04月19日 Linux

首先说为什么要清理子进程（由父进程），在Unix系统中经常会听到一个词“僵尸进程”(Zombie Process[可不是植物大战僵尸^_*])，而“僵尸进程”就是由子进程而来的。

“僵尸子进程”产生的原因，简单来说，就是子进程结束的时候，它的父进程没有wait它，内核释放了这个子进程的空间但进程却没有从进程表中被删除（空占进程表），而Unix保证每个进程都可以访问其子进程的退出信息，但必须wait它才可以取出对应进程的退出信息，这样儿就出现了一个问题，父进程可能太忙没有wait子进程，子进程却结束了，子进程对应的退出信息就会一直保留（包括进程ID等），资源会一直被占用，小数量的可能没有危害，一旦“僵尸进程”数量变多，主要是进程数限制，可能就会造成无法产生新的进程。

这就是典型的“僵尸进程”的危害。（另外说明一种情况，如果在子进程结束前，父进程已经结束，这样不会造成“僵尸进程”，因为Unix提供一种机制，如果一个进程结束，系统会检查进程，如果有进程正好是已经结束进程的子进程，那么这个进程就会被init进程接管，也就是说init进程变成了它的父进程。）

下面是一个小例子，先对“僵尸进程”有一个视觉的了解：(zombie.c)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
//产生子进程
int spawn_process()
{
     pid_t child_pid;
     child_pid = fork();
 
      //父进程返回子进程ID
     if (child_pid != 0)
     {
         return child_pid;
     }
     else//子进程中，做一些事情
     {
          sleep(10);
          abort();
     }
}
 
int main(int argc, char *argv[])
{
     int child_status;
     //产生子进程并wait
     spawn_process();
     wait(&child_status);
     printf("child_process finished!\n");
     return 0;
}

正常编译运行，主程序会sleep一分钟。
此时打开另一个终端窗口，输入：

1	ps –e –o pid,ppid,state,cmd

查看所有进程，包括进程ID，父进程ID，进程状态，进程命令行，如果不出什么差错，应该可以看到类似下面的信息：

这个进程状态为Z，命令行为defunct的就是大名鼎鼎的“僵尸进程”了(Z->Zombie)。而我们应该怎么避免呢？根据上面，首先肯定想到，由父进程wait子进程，直接到子进程结束，再由父进程wait到其状态。但是这样又带来一个问题，父进程与子进程的运行本身就是一个异步的过程，父进程没法预料什么时候子进程结束，一直wait子进程？那父进程就会一直挂起到子进程结束的那一刻，下面看一个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
//产生子进程
int spawn_process()
{
    pid_t child_pid;
    child_pid = fork();

    //父进程返回子进程ID
    if (child_pid != 0)
    {
        return child_pid;
    }
    else//子进程中，做一些事情
    {
        sleep(10);
        abort();
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    int child_status;
    //产生子进程并wait
    spawn_process();
    wait(&child_status);
    printf("child_process finished!\n");
    return 0;
}

正常编译运行，可以看到，直到子进程结束，父进程也就是main中的printf才打印出child_process finished!，在此之前进程一直处于挂起状态(Hang Up)，也就是父进程要一直等，等子进程结束，父进程才会结束，这显然不是我们想要的优雅的解决方式。

一种优雅的解决方式就是，当每个子进程结束的时候，通知父进程（儿子出去玩不知道什么时候回来，父亲不知道什么时候该做饭等他，如果儿子回来的时候打电话告诉父亲，父亲再等他，这样儿父亲还不耽误其他时间），而子进程怎么通知父进程呢？通知的方法有几种，进程间通信(将在以后讨论)，现在最容易想到的就是信号，Linux下一个子进程结束的时候，会向父进程发送一个SIGCHLD信号，而Linux系统对这个信号的默认是什么也不做，于是，我们就可以通过捕获SIGCHLD信号，再去让父进程wait子进程，这样就可以父进程就可以异步的清理子进程，也就是只在子进程结束的时候才去wait子进程退出状态。接下来的问题就是如何捕获对应的信号，设置对应的信号处理了。这里我们使用sigaction，简单说一下sigaction，它是用来设定对应信号处理的函数，三个参数，第一个设置要处理信号的信号值，第二个参数，设置对应的sigaction结构，结构中最重要的是信号处理函数，也就是对应的handler域，第三个也是一个sigaction结构，可以理解为保存上一个的信号处理的sigaction结构，如果第二个参数不为空则当前使用第二个参数中的处理，如果第三个参数不空，上一个处理的sigaction就会保存在这里（如要具体了解，参见man 2 sigaction）。

下面给出例子，父进程通过捕获SIGCHLD信号，wait子进程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>

//全局变量保存退出状态
sig_atomic_t exit_status;

int spawn_process()
{
    pid_t child_pid;
    child_pid = fork();

    //父进程返回子进程ID
    if (child_pid != 0)
    {
        return child_pid;
    }
    else//子进程中，做一些事情
    {
        sleep(10);
        abort();
    }
}
//SIGCHLD信号处理函数
void cleanup_child_process(int sig_num)
{
    int status;
    wait(&status);//wait子进程
    printf("child_process prepare terminate!");
    exit_status = status;//保存退出状态信息
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    /* 通过调用cleanup_child_process处理SIGCHLD信号 */
    struct sigaction sigchild_action;
    memset(&sigchild_action, 0, sizeof(sigchild_action));
    sigchild_action.sa_handler = &cleanup_child_process;
    sigaction(SIGCHLD, &sigchild_action, NULL);//设置对应的信号处理

    //产生子进程并wait
    spawn_process();
    while (1)
    {
        printf("parent_process do something!\n");
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

编译运行，可以看到，这次父进程没有一直Hang Up等待子进程结束，父进程一直在做自己的事，直接接收到了SIGCHLD信号，才对子进程做出处理，这样儿，就通过对SIGCHLD信号的处理达到了对子进程异步清理（wait）的目的。