进程状态与僵尸进程、孤儿进程

Marlowe
操作系统

发布于：May 6, 2021
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进程状态

一个进程的生命周期可以划分为一组状态，这些状态刻画了整个进程。进程状态即体现一个进程的生命状态

一般来说，进程有五种状态：

  • 创建状态： 进程在创建时需要申请一个空白PCB，向其中填写控制和管理进程的信息，完成资源分配。如果创建工作无法完成，比如资源无法满足，就无法被调度运行，把此时进程所处状态称为创建状态
  • 就绪状态： 进程已经准备好，已分配到所需资源，只要分配到CPU就能够立即运行
  • 执行状态： 进程处于就绪状态被调度后，进程进入执行状态
  • 阻塞状态： 正在执行的进程由于某些事件（I/O请求，申请缓存区失败）而暂时无法运行，进程受到阻塞。在满足请求时进入就绪状态等待系统调用
  • 终止状态： 进程结束，或出现错误，或被系统终止，进入终止状态。无法再执行

这五种状态的转换如图：

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上面所说的是一个概念性质的，而具体在Linux里，进程的状态是如何定义的？在Linux内核里，进程有时候也叫做任务，下面是状态在kernel源码里的定义：

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/*
* The task state array is a strange "bitmap" of
* reasons to sleep. Thus "running" is zero, and
* you can test for combinations of others with
* simple bit tests.
*/
static const char * const task_state_array[] = {
"R (running)", /* 0 */
"S (sleeping)", /* 1 */
"D (disk sleep)", /* 2 */
"T (stopped)", /* 4 */
"t (tracing stop)", /* 8 */
"X (dead)", /* 16 */
"Z (zombie)", /* 32 */
};

这些状态的具体含义是：

  • R运行状态(running): 并不意味着进程一定在运行中，它表明进程要么是在运行中要么在运行队列 里。
  • S睡眠状态(sleeping): 意味着进程在等待事件完成（这里的睡眠有时候也叫做可中断睡眠 (interruptible sleep))。
  • D磁盘休眠状态(Disk sleep): 有时候也叫不可中断睡眠状态（uninterruptible sleep），在这个状态的 进程通常会等待IO的结束。
  • T停止状态(stopped)： 可以通过发送 SIGSTOP 信号给进程来停止（T）进程。这个被暂停的进程可 以通过发送 SIGCONT 信号让进程继续运行。
  • X死亡状态(dead)： 这个状态只是一个返回状态，你不会在任务列表里看到这个状态。
  • Z僵死状态(zombie)： 下文具体了解

父进程与子进程

在学习接下来的内容之前，需要对父进程和子进程有一个清晰的认识

在Linux里，除了进程0（即PID=0的进程）以外的所有进程都是由其他进程使用系统调用fork创建的，这里调用fork创建新进程的进程即为父进程，而相对应的为其创建出的进程则为子进程，因而除了进程0以外的进程都只有一个父进程，但一个进程可以有多个子进程。

fork函数包含在unistd.h库中，其最主要的特点是，调用一次，返回两次，当父进程fork()创建子进程失败时，fork()返回-1，当父进程fork()创建子进程成功时，此时，父进程会返回子进程的pid，而子进程返回的是0。所以可以根据返回值的不同让父进程和子进程执行不同的代码

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如上图所示，当fork()函数调用后，父进程中的变量pid赋值成子进程的pid(pid>0)，所以父进程会执行else里的代码，打印出”This is the parent”，而子进程的变量pid赋值成0，所以子进程执行if(pid == 0)里的代码，打印出”This is the child”

现在我们知道，在Linux中，正常情况下，子进程是通过父进程创建的，子进程再创建新的子进程。但是子进程的结束和父进程的运行是一个异步过程，即父进程永远无法预测子进程到底什么时候结束。当一个进程完成它的工作终止之后，它的父进程需要调用wait()或者waitpid()系统调用取得子进程的终止状态

知道了这些，我们再来了解两种特殊的进程。

僵尸进程

简介

一个进程使用fork创建子进程，如果子进程退出，而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵死进程。

上文中提到的进程的僵死状态Z(zombie)就是僵尸进程对应的状态

我们可以写一个程序来查看一下僵尸进程：

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#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>

int main(){
  printf("pid = %d\n",getpid());
  pid_t pid = fork();
  if(pid < 0){
    printf("fork error\n");
    return -1;
  }else if(pid == 0){
    //这段代码只有子进程能够运行到，因为在子进程中fork的返回值为0
    printf("This is the child!pid = %d\n",getpid());
    sleep(5);
    exit(0); //退出进程
  }else if(pid > 0){
    //这段代码只有父进程能运行到
    printf("This is the parent!pid = %d\n",getpid());
  }
  //当fork成功时下面的代码父子进程都会运行到
  while(1){
    printf("-------------pid = %d\n",getpid());
    sleep(1);
  }
  return 0;
}

程序的运行结果：

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ubuntu@VM-0-7-ubuntu:~/c_practice$ ./zombie 
pid = 24816
This is the parent!pid = 24816
-------------pid = 24816
This is the child!pid = 24817
-------------pid = 24816
-------------pid = 24816
.....

在程序开始运行时立即查看进程：

(这里我分别运行了两次，分别使用ps -ef和ps -aux查看了进程状态，所以两次的进程PID是不同的)

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ubuntu@VM-0-7-ubuntu:~$ ps -ef | grep -v grep | grep zombie
ubuntu   23797 15818  0 14:53 pts/0    00:00:00 ./zombie
ubuntu   23798 23797  0 14:53 pts/0    00:00:00 ./zombie

ubuntu@VM-0-7-ubuntu:~$ ps -aux | grep -v grep | grep zombie
ubuntu   24288  0.0  0.0   4352   648 pts/0    S+   14:56   0:00 ./zombie
ubuntu   24289  0.0  0.0   4352    80 pts/0    S+   14:56   0:00 ./zombie

在进程运行五秒后再次查看进程：

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ubuntu@VM-0-7-ubuntu:~$ ps -ef | grep -v grep | grep zombie
ubuntu   23797 15818  0 14:53 pts/0    00:00:00 ./zombie
ubuntu   23798 23797  0 14:53 pts/0    00:00:00 [zombie] <defunct>

ubuntu@VM-0-7-ubuntu:~$ ps -aux | grep -v grep | grep zombie
ubuntu   24288  0.0  0.0   4352   648 pts/0    S+   14:56   0:00 ./zombie
ubuntu   24289  0.0  0.0      0     0 pts/0    Z+   14:56   0:00 [zombie] <defunct>

可以看出当进程运行五秒后，子进程状态变成Z，就是僵死状态，子进程就成了僵尸进程

其实，僵尸进程是有危害的。进程的退出状态必须被维持下去，因为它要告诉关心它的进程（父进程），你交给我的任务，我办的怎么样了。可父进程如果一直不读取，那子进程就一直处于Z状态。维护退出状态本身就是要用数据维护，也属于进程基本信息，所以保存在task_struct(PCB)中，换句话说，当一个进程一直处于Z状态，那么它的PCB也就一直都要被维护。因为PCB本身就是一个结构体会占用空间，僵尸进程也就会造成资源浪费，所以我们应该避免僵尸进程的产生。

孤儿进程

简介

孤儿进程则是指当一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集工作。

代码示例：

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>

int main(){ 
  pid_t pid;
  pid = fork();
  if(pid < 0){  
    perror("fork error");
    exit(1);
  }
  if(pid == 0){ 
    printf("This is the child!\n");
    printf("pid = %d,ppid = %d\n",getpid(),getppid());//父进程退出前的pid和ppid
    sleep(5);
    printf("\npid = %d,ppid = %d\n",getpid(),getppid());//父进程退出后的pid和ppid
  }else{  
    printf("This is the father!\n");
    sleep(1);
    printf("father process is exited!\n");
  }
  return 0;
}

运行结果：

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ubuntu@VM-0-7-ubuntu:~/c_practice$ ./orphan 
This is the father!
This is the child!
pid = 2338,ppid = 2337
father process is exited!
ubuntu@VM-0-7-ubuntu:~/c_practice$ 
pid = 2338,ppid = 1

我们可以看到结果和我们预见的是一样的，孤儿进程在父进程退出后会被init进程领养，直到自己运行结束为止。这个程序很容易理解,先输出子进程的pid和父进程的pid，再然后子进程开始睡眠父进程退出，这时候子进程变成孤儿进程，再次输出时，该进程的父进程变为init

孤儿进程由于有init进程循环的wait()回收资源，因此并没有什么危害

问题及危害

僵尸进程

unix提供了一种机制可以保证只要父进程想知道子进程结束时的状态信息， 就可以得到。这种机制就是: 在每个进程退出的时候,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the process ID,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。 但这样就导致了问题，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. 此即为僵尸进程的危害，应当避免。

孤儿进程

孤儿进程是没有父进程的进程，孤儿进程这个重任就落到了init进程身上， init进程就好像是一个民政局，专门负责处理孤儿进程的善后工作。每当出现一个孤儿进程的时候，内核就把孤 儿进程的父进程设置为init，而init进程会循环地wait()它的已经退出的子进程。这样，当一个孤儿进程凄凉地结束了其生命周期的时候，init进程就会代表党和政府出面处理它的一切善后工作。因此孤儿进程并不会有什么危害。

任何一个子进程(init除外)在exit()之后，并非马上就消失掉，而是留下一个称为僵尸进程(Zombie)的数据结构，等待父进程处理。 这是每个子进程在结束时都要经过的阶段。如果子进程在exit()之后，父进程没有来得及处理，这时用ps命令就能看到子进程的状态是“Z”。如果父进程能及时 处理，可能用ps命令就来不及看到子进程的僵尸状态，但这并不等于子进程不经过僵尸状态。 如果父进程在子进程结束之前退出，则子进程将由init接管。init将会以父进程的身份对僵尸状态的子进程进行处理。

僵尸进程危害场景

　例如有个进程，它定期的产 生一个子进程，这个子进程需要做的事情很少，做完它该做的事情之后就退出了，因此这个子进程的生命周期很短，但是，父进程只管生成新的子进程，至于子进程 退出之后的事情，则一概不闻不问，这样，系统运行上一段时间之后，系统中就会存在很多的僵死进程，倘若用ps命令查看的话，就会看到很多状态为Z的进程。 严格地来说，僵死进程并不是问题的根源，罪魁祸首是产生出大量僵死进程的那个父进程。因此，当我们寻求如何消灭系统中大量的僵死进程时，答案就是把产生大 量僵死进程的那个元凶枪毙掉（也就是通过kill发送SIGTERM或者SIGKILL信号啦）。枪毙了元凶进程之后，它产生的僵死进程就变成了孤儿进程，这些孤儿进程会被init进程接管，init进程会wait()这些孤儿进程，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 就能瞑目而去了。

僵尸进程解决办法

通过信号机制

子进程退出时向父进程发送SIGCHILD信号，父进程处理SIGCHILD信号。在信号处理函数中调用wait进行处理僵尸进程。

代码如下：

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#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>

static void sig_child(int signo);

int main()
{
    pid_t pid;
    //创建捕捉子进程退出信号
    signal(SIGCHLD,sig_child);
    pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        perror("fork error:");
        exit(1);
    }
    else if (pid == 0)
    {
        printf("I am child process,pid id %d.I am exiting.\n",getpid());
        exit(0);
    }
    printf("I am father process.I will sleep two seconds\n");
    //等待子进程先退出
    sleep(2);
    //输出进程信息
    system("ps -o pid,ppid,state,tty,command");
    printf("father process is exiting.\n");
    return 0;
}

static void sig_child(int signo)
{
     pid_t        pid;
     int        stat;
     //处理僵尸进程
     while ((pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) >0)
            printf("child %d terminated.\n", pid);
}

测试结果如下所示：

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fork两次

原理是将子进程成为孤儿进程，从而其的父进程变为init进程，通过init进程可以处理僵尸进程。

代码如下：

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    pid_t  pid;
    //创建第一个子进程
    pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        perror("fork error:");
        exit(1);
    }
    //第一个子进程
    else if (pid == 0)
    {
        //子进程再创建子进程
        printf("I am the first child process.pid:%d\tppid:%d\n",getpid(),getppid());
        pid = fork();
        if (pid < 0)
        {
            perror("fork error:");
            exit(1);
        }
        //第一个子进程退出
        else if (pid >0)
        {
            printf("first procee is exited.\n");
            exit(0);
        }
        //第二个子进程
        //睡眠3s保证第一个子进程退出，这样第二个子进程的父亲就是init进程里
        sleep(3);
        printf("I am the second child process.pid: %d\tppid:%d\n",getpid(),getppid());
        exit(0);
    }
    //父进程处理第一个子进程退出
    if (waitpid(pid, NULL, 0) != pid)
    {
        perror("waitepid error:");
        exit(1);
    }
    exit(0);
    return 0;
}

测试结果如下图所示：

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参考

进程3.0——进程状态与僵尸进程、孤儿进程

孤儿进程与僵尸进程[总结]

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Marlowe

更新于：May 7, 2021

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