C++-linux系统编程 8.进程（三）孤儿进程、僵尸进程与进程回收

孤儿进程、僵尸进程与进程回收

在多进程编程中，孤儿进程和僵尸进程是两种常见的特殊状态进程，而wait()和waitpid()函数则是解决僵尸进程、实现进程同步的核心工具。本文将详细解析这两种特殊进程的成因、危害及处理方法，同时深入讲解进程回收函数的使用。

一、孤儿进程与僵尸进程

1. 僵尸进程（Zombie Process）

定义与成因

僵尸进程是指子进程先于父进程结束，但父进程未通过wait()或waitpid()回收其退出状态，导致子进程的进程控制块（PCB）仍残留于系统中的进程。

子进程结束时的核心流程：

1. 子进程执行完毕，向父进程发送SIGCHLD信号。
2. 子进程进入僵尸状态（Zombie State），保留PCB（含退出状态码、资源使用统计等信息）。
3. 父进程需调用wait()/waitpid()读取这些信息，PCB才会被彻底释放。

问题与危害

• 资源残留：僵尸进程的PCB会占用系统资源（如PID、内核数据结构）。
• PID耗尽风险：系统的PID数量有限（通常上限为32768），大量僵尸进程会导致无法创建新进程。
• 无法直接终止：僵尸进程已处于"死亡"状态，kill命令对其无效（因为进程实体已不存在，仅残留PCB）。

示例代码

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0) {
        // 子进程：执行后立即退出
        printf("子进程 (PID=%d) 即将退出\n", getpid());
        exit(0);  // 子进程结束
    } else {
        // 父进程：休眠30秒，不调用wait()回收子进程
        printf("父进程 (PID=%d) 休眠30秒...\n", getpid());
        sleep(30);  // 期间子进程成为僵尸
    }
    
    return 0;
}

验证方法

运行程序后，在父进程休眠期间通过ps命令查看僵尸进程：

ps aux | grep Z  # 查找状态为Z的进程

输出示例：

user     12345  0.0  0.0      0     0 pts/0    Z+   15:45   0:00 [a.out] <defunct>

• STAT列为Z（Zombie）或<defunct>表示该进程为僵尸进程。

2. 孤儿进程（Orphan Process）

定义与成因

孤儿进程是指父进程先于子进程结束，导致子进程失去父进程的进程。此时，子进程会被系统的初始化进程（init，PID=1）或systemd进程收养。

核心特点

• 父进程ID更新：孤儿进程的PPID会被系统自动修改为1（收养它的init进程PID）。
• 无僵尸风险：init进程会定期调用wait()回收其收养的子进程，因此孤儿进程结束后不会成为僵尸进程。
• 后台运行特性：孤儿进程脱离原终端控制，常被用于实现守护进程（Daemon）。

示例代码

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

int main() {
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0) {
        // 子进程：休眠30秒，期间父进程已退出
        printf("子进程 (PID=%d, PPID=%d) 休眠30秒...\n", getpid(), getppid());
        sleep(30);  // 父进程在此期间退出
        printf("子进程 (PID=%d, PPID=%d) 休眠结束\n", getpid(), getppid());  // PPID变为1
    } else {
        // 父进程：立即退出
        printf("父进程 (PID=%d) 退出\n", getpid());
        exit(0);
    }
    
    return 0;
}

验证方法

运行程序后，在子进程休眠期间查看其PPID：

ps -p 子进程PID -o ppid=  # 查看指定进程的父进程ID

输出结果为1，表示子进程已被init进程收养。

3. 如何避免僵尸进程？

僵尸进程的核心问题是父进程未及时回收子进程资源，以下是三种常用解决方案：

方案1：父进程主动调用wait()/waitpid()

父进程在创建子进程后，显式调用回收函数等待子进程结束：

pid_t pid = fork();
if (pid > 0) {
    wait(NULL);  // 阻塞等待子进程结束并回收资源
}

方案2：捕获SIGCHLD信号异步回收

子进程结束时会向父进程发送SIGCHLD信号，可在信号处理函数中调用waitpid()回收资源：

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

void sigchld_handler(int signo) {
    // 非阻塞回收所有结束的子进程（避免信号丢失）
    while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
}

int main() {
    signal(SIGCHLD, sigchld_handler);  // 注册信号处理函数
    // 创建子进程...
    return 0;
}

关键：使用while循环而非单次调用，因为多个子进程结束可能触发同一信号，需确保所有僵尸进程都被回收。

方案3：子进程再创建孙进程（双fork技巧）

父进程创建子进程后立即退出，子进程成为孤儿被init收养，子进程再创建孙进程后退出，孙进程由init回收：

if (fork() == 0) {  // 子进程
    if (fork() > 0) {  // 子进程创建孙进程
        exit(0);  // 子进程退出，孙进程成为孤儿
    }
    // 孙进程执行实际任务，由init回收
    sleep(10);
    exit(0);
}
wait(NULL);  // 父进程回收子进程（非僵尸）

二、进程回收：wait()与waitpid()函数

wait()和waitpid()是父进程回收子进程资源、获取退出状态的核心系统调用，是解决僵尸进程的关键工具。

1. wait()函数：基础回收工具

函数原型

#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);

参数说明

• status：传出参数，用于存储子进程的退出状态（若为NULL则不关心退出状态）。

功能与特性

• 阻塞等待：父进程调用wait()后会阻塞，直到任意一个子进程结束。
• 资源回收：清除子进程的僵尸状态，释放PCB资源。
• 状态获取：通过status参数返回子进程的退出状态（需用宏解析）。

返回值

• 成功：返回结束的子进程PID。
• 失败：返回-1（如无子进程可等待，errno设为ECHILD）。

示例代码：获取子进程退出状态

#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0) {
        // 子进程：正常退出并返回状态码
        printf("子进程 (PID=%d) 运行中...\n", getpid());
        sleep(2);
        exit(123);  // 退出状态码为123
    } else if (pid > 0) {
        int status;
        pid_t terminated_pid = wait(&status);  // 阻塞等待
        
        printf("父进程检测到子进程 (PID=%d) 结束\n", terminated_pid);
        
        // 解析退出状态
        if (WIFEXITED(status)) {  // 判断是否正常退出
            printf("子进程正常退出，状态码: %d\n", WEXITSTATUS(status));  // 输出123
        }
    }
    
    return 0;
}

2. waitpid()函数：灵活的高级回收工具

waitpid()是wait()的增强版，支持指定等待的子进程、非阻塞模式等高级特性。

函数原型

#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

参数详解

返回值

• 子进程结束：返回结束的子进程PID。
• WNOHANG生效且子进程未结束：返回0。
• 失败：返回-1（如无子进程，errno设为ECHILD）。

示例1：非阻塞等待子进程

#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid == 0) {
        // 子进程：休眠5秒
        printf("子进程 (PID=%d) 休眠5秒...\n", getpid());
        sleep(5);
        exit(0);
    } else if (pid > 0) {
        int status;
        pid_t result;
        
        // 非阻塞等待：子进程未结束时返回0，循环等待
        do {
            result = waitpid(pid, &status, WNOHANG);
            if (result == 0) {
                printf("父进程继续执行其他任务...\n");
                sleep(1);  // 父进程做其他事
            }
        } while (result == 0);
        
        printf("子进程 (PID=%d) 已结束\n", pid);
    }
    
    return 0;
}

示例2：等待指定子进程

// 创建两个子进程，分别等待它们结束
pid_t child1 = fork();
if (child1 == 0) { sleep(2); exit(1); }

pid_t child2 = fork();
if (child2 == 0) { sleep(1); exit(2); }

// 先等待child1结束，再等待child2
waitpid(child1, NULL, 0);
waitpid(child2, NULL, 0);

3. 状态检查宏：解析status参数

status参数存储的是子进程的原始退出状态，需通过以下宏解析（均定义在<sys/wait.h>中）：

（1）正常退出检查

• WIFEXITED(status)：若子进程正常退出（调用exit()或return），返回非0值。
• WEXITSTATUS(status)：在WIFEXITED为真时，返回子进程的退出状态码（0~255）。

if (WIFEXITED(status)) {
    printf("正常退出，状态码: %d\n", WEXITSTATUS(status));
}

（2）信号终止检查

• WIFSIGNALED(status)：若子进程被信号终止，返回非0值。
• WTERMSIG(status)：在WIFSIGNALED为真时，返回终止子进程的信号编号。
• WCOREDUMP(status)：若子进程被信号终止且生成核心转储文件，返回非0值。

if (WIFSIGNALED(status)) {
    printf("被信号终止，信号编号: %d\n", WTERMSIG(status));
    if (WCOREDUMP(status)) {
        printf("生成了核心转储文件\n");
    }
}

（3）暂停/恢复检查

• WIFSTOPPED(status)：若子进程被暂停（如SIGSTOP信号），返回非0值。
• WSTOPSIG(status)：在WIFSTOPPED为真时，返回暂停子进程的信号编号。
• WIFCONTINUED(status)：若子进程被SIGCONT信号恢复执行，返回非0值。

4. wait()与waitpid()的核心区别

总结

• 僵尸进程：子进程先结束，父进程未回收，PCB残留，需通过wait()/waitpid()或信号处理解决。
• 孤儿进程：父进程先结束，子进程被init收养，由init回收，无僵尸风险。
• wait()：简单阻塞回收任意子进程，适合单进程场景。
• waitpid()：支持指定子进程、非阻塞模式，是多进程管理的核心工具，需结合WNOHANG和循环实现异步回收。

掌握进程回收机制是编写健壮多进程程序的基础，尤其要注意僵尸进程的危害及信号驱动的异步回收方案。