17.进程回收

1.为什么要进行进程资源的回收

当一个进程退出之后，进程能够回收自己的用户区的资源，但是不能回收内核空间的PCB资源，必须由它的父进程调用wait或者waitpid函数完成对子进程的回收，避免造成系统资源的浪费。

2.孤儿进程

• 孤儿进程的概念：

若子进程的父进程已经死掉，而子进程还存活着，这个进程就成了孤儿进程。

• 为了保证每个进程都有一个父进程，孤儿进程会被init进程领养，init进程成为了孤儿进程的养父进程，当孤儿进程退出之后，由init进程完成对孤儿进程的回收。

• 模拟孤儿进程的案例

编写模拟孤儿进程的代码讲解孤儿进程，验证孤儿进程的父进程是否由原来的父进程变成了init进程。

测试1： 孤儿进程测试

/************************************************************
  >File Name  : orphan.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月19日 星期四 20时53分41秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
	pid_t pid = fork();
	if(pid == 0)
	{
		while(1)
		{
			printf("child: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
			sleep(1);
		}
	}
	if(pid > 0)
	{
		printf("parent: %d\n", getpid());
		sleep(3);	
	}
	return 0;
}

我们看到，子进程的父进程ID在3秒后变成了1，这说明父进程结束后，它变成了孤儿进程，并被init进程收养，使用kill命令基于可以杀死孤儿进程。

3.僵尸进程

• 僵尸进程的概念:

若子进程死了，父进程还活着，但是父进程没有调用wait或waitpid函数完成对子进程的回收，则该子进程就成了僵尸进程。

• 如何解决僵尸进程

▶由于僵尸进程是一个已经死亡的进程，所以不能使用kill命令将其杀死

▶通过杀死其父进程的方法可以消除僵尸进程。杀死其父进程后，这个僵尸进程会被init进程领养，由init进程完成对僵尸进程的回收。

• 模拟僵尸进程的案例

编写模拟僵尸进程的代码讲解僵尸进程，验证若子进程先于父进程退出，而父进程没有调用wait或者waitpid函数进行回收，从而使子进程成为了僵尸进程。

测试2： 僵尸进程测试

/************************************************************
  >File Name  : zombie.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月19日 星期四 20时54分20秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
	pid_t pid = fork();
	if(pid == 0)
	{
		printf("child: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());	
		sleep(1);
	}
	if(pid > 0)
	{
		while(1)
		{
			printf("parent: %d\n", getpid());	
			sleep(1);
		}
	}
	return 0;
}

我们可以通过ps命令查看僵尸进程

图中红色标出的三个地方Z+、[]、default都可以表明这是僵尸进程，另外Z+是进程类型的一个表示，可以通过 man ps 查看，我们可以通过 man ps 进入帮助手册，然后在命令行输入 /zombie 来搜索zombie相关的信息。

僵尸进程是不能用kill杀死的，因为kill命令是终止进程，而僵尸进程已经终止了。我们知道僵尸进程的资源需要由父进程去回收，那么我们在这种情况下如何回收僵尸进程的资源呢？方法就是杀死父进程，父进程被杀死后，由init接管子进程并回收子进程资源。

4.进程回收函数

4.1wait()函数

 ▶函数原型：

pid_t wait(int *status);

 ▶函数作用：

  ▷阻塞并等待子进程退出

  ▷回收子进程残留资源

  ▷获取子进程结束状态(退出原因)。

 ▶返回值：

  ▷成功：清理掉的子进程ID；

  ▷失败：-1 (没有子进程)

 ▶status参数：子进程的退出状态 -- 传出参数

  ▷WIFEXITED(status)：为非0 → 进程正常结束

  WEXITSTATUS(status)：获取进程退出状态

  ▷WIFSIGNALED(status)：为非0 → 进程异常终止

  WTERMSIG(status)：取得进程终止的信号编号。

一个进程在终止的时候会关闭所有的文件描述符，释放在用户空间分配的内存，但是它的PID还保留着，内核在其中保存了一些信息：如果进程是正常终止则保存进程退出状态；如果进程是异常终止，则保存导致该进程终止的那个信号。这个进程的父进程可以调用wait()或者waitpid()来获取这些信息，然后彻底清除这个进程。我们知道，一个进程的退出状态可以在shell中用特殊变量$?查看，因为shell进程是它的父进程，当它终止的时候shell调用wait()或waitpid()得到它的退出状态，同时彻底清除这个进程。父进程调用wait()函数可以回收子进程终止信息，wait()函数功能主要有三个：阻塞等待子进程退出；回收子进程残留资源；获取子进程退出状态（退出原因）。

4.1.1包含头文件及函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status);

/*
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
int waitid(idtype_t idtype, id_t id, siginfo_t *infop, int options);
*/

4.1.2函数描述

wait()函数用于回收子进程，获取子进程的终止原因，如果子进程没有终止，那么将会阻塞等待子进程的终止。

4.1.3函数参数

• status：传出参数（C语言一级指针做输出）

WIFEXITED(status)	/*wait if exited 等待是否退出*/
WEXITSTATUS(status) /*wait exit status 退出原因*/
    
WIFSIGNALED(status) /*wait if signaled 是否被信号杀死*/
WTERMSIG(status) 	/*wait term sugnaled 被几号信号杀死的*/
    
WCOREDUMP(status)    
WIFSTOPPED(status)
    
WSTOPSIG(status)    
WIFCONTINUED(status)     

• 根据status判断子进程终止原因

WIFEXITED(status)判断子进程是否正常退出；

WIFEXITED(status)为真表示正常退出，使用WEXITSTATUS(status)获取退出状态；

WIFEXITED(status)非真，表示非正常退出，使用WIFSIGNALED(status)判断是否被信号杀死；

WIFSIGNALED(status)为真，表示是被信号杀死，使用WTERMSIG(status) 获取杀死进程的信号；

4.1.4函数返回值

• on success, returns the process ID of the terminated child; wait()函数成功返回终止的子进程的ID.
• on error, -1 is returned. 失败返回-1.

案例测试： wait()获取子进程退出原因

/************************************************************
  >File Name  : wait_test.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月19日 星期四 22时45分28秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    pid_t pid = fork();
    if(pid == 0)
    {
        printf("child: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
        sleep(3); /*子进程睡眠3秒，那么父进程中的wait函数会阻塞3秒，一直等到子进程退出*/
        return 66; /*正常退出，这个值可以被WEXITSTATUS获取到，这个值是有范围的*/
        /*exit(66); 也表示正常退出*/
    }
    if(pid > 0)
    {
        int status;
        pid_t wpid = wait(&status);
        printf("wpid: %d, cpid: %d\n", wpid, pid);
        if(WIFEXITED(status)) /*进程正常退出，获取退出原因*/
        {
            printf("child exit because: %d\n", WEXITSTATUS(status));
        }
        else /*非正常退出*/
        {
            if(WIFSIGNALED(status)) /*为真表示被信号杀死*/
            {
                printf("signal is: %d", WTERMSIG(status));
            }
            else
            {
                printf("other...\n");
            }
        }
        while(1)
        {
            sleep(3);
        }
    }
    return 0;
}

我们首先演示一下子进程的正常退出，并获取退出状态，子进程的退出状态可以用return或者exit来传递。

在代码中，当 fork() 被调用时，它创建了一个子进程，这个子进程是父进程的副本。然后，两个进程（父进程和子进程）从 fork() 的返回位置开始并行执行。由于它们是并发执行的，理论上，父进程和子进程的代码都有机会首先运行。

然而，通常情况下，我们会看到子进程的输出先于父进程的输出，有以下几个原因：

1. 调度器决策：操作系统的调度器可能决定让新创建的子进程先运行，尤其是当系统资源充足，且没有其他高优先级的任务时。

2. 输出缓冲：printf 函数通常使用缓冲输出。这意味着即使父进程或子进程先执行其 printf 语句，输出可能不会立即显示在屏幕上或写入文件中。子进程在 printf 之后进入 sleep 状态，这可能导致其输出被刷新到屏幕上。而父进程在其 printf 之后立即调用了 wait()，可能在子进程结束之前都不会刷新其输出缓冲区。

3. 运行环境的影响：具体哪个进程先输出还取决于运行环境、系统的当前负载、其他运行中的进程和线程以及其他一些因素。

虽然在许多情况下，子进程的输出可能会先于父进程显示，但这并不是一个固定的规则。如果多次运行同一段代码，可能会看到不同的顺序，尤其是在高负载的系统或具有多个CPU核心的系统上。因此，除非有明确的同步机制，否则不能保证并发进程的执行顺序。

下面我们在子进程中增加一个循环，然后用信号杀死子进程

if (pid == 0)
{
    printf("child: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
    sleep(2); /*子进程睡眠3秒，那么父进程中的wait函数会阻塞3秒，一直等到子进程退出*/
    while (1)
    {
        printf("child: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());
        sleep(1);
    }
}

重新编译运行，并开启另一个shell，使用 kill -9 杀死子进程

获取到杀死进程的信号，正好是9号信号，如果直接使用 kill pid 默认使用的是15号信号。

4.2waitpid()函数

• waitpid函数

 ▶函数原型：

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

 ▶函数作用

同wait函数

 ▶函数参数

  参数：

  pid：

   pid = -1 等待任一子进程。与wait等效。

   pid > 0 等待其进程ID与pid相等的子进程。

   pid = 0 等待进程组ID与目前进程相同的任何子进程，也就是说任何和调用waitpid()函数的进程在同一个进程组的进程。

   pid < -1 等待其组ID等于pid的绝对值的任一子进程。(适用于子进程在其他组的情况)

  status: 子进程的退出状态，用法同wait函数。

  options：设置为WNOHANG，函数非阻塞，设置为0，函数阻塞。

 ▶函数返回值

  >0：返回回收掉的子进程ID；

  -1：无子进程

  =0：参3为WNOHANG，且子进程正在运行。

• waitpid函数练习

使用waitpid函数完成对子进程的回收

4.2.1包含头文件及函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

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

4.2.2函数描述

The waitpid() system call suspends execution of the calling process until a child specified by pid argument has changed state.

waitpid() 系统调用暂停调用进程的执行，直到由 pid 参数指定的子进程改变了状态。

4.2.3函数参数

• pid：

 ■小于 -1：meaning wait for any child process whose process group ID is equal to the absolute value of pid. 回收一个组的子进程，使用时把组ID（一般是父进程ID）传给pid参数，就可以使用waitpid()回收这个进程组的所有子进程。

 ■-1：meaning wait for any child process. 回收所有，任何子进程，这是最常用的取值，把所有子进程都回收。

 ■0：meaning wait for any child process whose process group ID is equal to that of the calling process. 回收和调用进程组ID相同的组内的子进程。

 ■大于0：meaning wait for the child whose process ID is equal to the value of pid. 回收指定的进程pid。

• status：传出参数，同wait()函数
• options：选项

 ■WNOHANG： return immediately if no child has exited. wait no hang，如果子进程没有结束，立即返回，不会挂起等待（wait函数如果子进程没有退出会阻塞等待）。如果options参数填0，那么和wait()函数一样会挂起等待子进程结束。

 ■WUNTRACED： also return if a child has stopped (but not traced via ptrace(2)). Status for traced children which have stopped is provided even if this option is not specified.如果子进程已停止（但未通过 ptrace(2) 进行跟踪）则返回。即使没有指定此选项，仍会提供已停止的被跟踪子进程的状态。

 ■WCONTINUED： also return if a stopped child has been resumed by delivery of SIGCONT.如果一个已停止的子进程因接收到 SIGCONT 信号而恢复，则返回。

• 函数返回值

 ■on success, returns the process ID of the child whose state has changed; if WNOHANG was specified and one or more child(ren) specified by pid exist, but have not yet changed state, then 0 is returned. 如果设置了WNOHANG选项，并且没有子进程退出则返回0，如果有子进程退出则返回退出子进程的pid。
 ■On error, -1 is returned. 比如说没有子进程或子进程早就全部结束了，可能就会出错返回-1。

下面通过例子演示waitpid()函数的用法。

/************************************************************
  >File Name  : waitpid_test.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月20日 星期五 16时31分35秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    pid_t pid = fork();
    if(pid == 0)
    {
        printf("child: %d\n", getpid());
        sleep(2);
    }
    if(pid > 0)
    {
        printf("parent: %d\n", getpid());
        int ret = waitpid(-1, NULL, WNOHANG);
        printf("ret: %d\n", ret);
        while(1)
        {
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

为什么使用了waitpid()函数还会产生僵尸进程呢，这是因为在waitpid()函数中使用了选项参数WNOHANG，而子进程中有一个睡眠函数，子进程睡眠的时候，父进程中waitpid()语句没有等到子进程结束就执行了，由于WNOHANG选项参数的存在，waitpid不会阻塞等待之进程结束，而是直接返回。当waitpid()返回父进程中后，子进程才结束，但是waitpid()已经执行完了，所以并没有回收子进程，子进程因此变成僵尸进程。

解决方法就是在一个循环中执行waitpid()函数，直到ret不等于0的时候说明子进程退出了，跳出循环。

5.回收多个子进程

上面使用wait()函数和waitpid()函数举的例子都是回收一个子进程，有时候我们可能需要回收多个子进程，下面介绍回收多个子进程的方法。

5.1 使用wait()回收多个子进程

首先使用wait()函数来回收多个子进程，我们可以在一个for循环中等待子进程的结束，创建了几个子进程就for循环等待几次，代码如下。

/************************************************************
  >File Name  : mutipwait.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月20日 星期五 17时23分57秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int i = 0;
    pid_t pid;
    for(i = 0; i < 5; i++)
    {
        pid = fork();
        if(pid == 0)
        {
            printf("child: %d\n", getpid());
            break;
        }
    }
    sleep(i);
    if(i == 5) /*只有父进程可以执行到i=5*/
    {
        for(i = 0; i < 5; i++)
        {
            pid_t wpid = wait(NULL);
            printf("wpid: %d\n", wpid);
        }
        while(1)
        {
            sleep(1);
        }
    }
    return 0;
}

编译运行，可以看到所有子进程都被回收。

5.2使用waitpid()回收多个子进程

如果使用waitpid()函数，可以借助函数的参数和返回值去判断每个子进程是否回收成功。

/************************************************************
  >File Name  : mutipwaitpid.c
  >Author     : Mindtechnist
  >Company    : Mindtechnist
  >Create Time: 2022年05月20日 星期五 17时45分39秒
************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int i = 0;
    pid_t pid;
    for(i = 0; i < 5; i++)
    {
        pid = fork();
        if(pid == 0)
        {
            break;
        }
    }
    if(i == 5) /*只有父进程可以执行到i=5*/
    {
        printf("parent: %d\n", getpid());
        while(1) /*无限循环保证所有子进程全部回收*/
        {
            pid_t wpid = waitpid(-1/*回收任何子进程*/, NULL, WNOHANG);
            if(wpid == -1)
            {
                break; /*如果返回-1说明已经没有子进程了，退出循环*/
            }
            if(wpid > 0)
            {
                printf("wpid: %d\n", wpid); /*打印被回收的子进程的ID*/
            }
        }
        while(1)
        {
            sleep(1);
        }
    }
    if(i < 5) /*说明是子进程*/
    {
        printf("no. %d child: %d\n", i, getpid());
    }
    return 0;
}

编译执行，可以看到所有进程都被回收了

参考：

【Linux进程】六、wait()函数——子进程回收

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