Linux 殭屍程式

sparkdev發表於2018-01-15
Linux

Linux 允許程式查詢核心以獲得其父程式的 PID，或者其任何子程式的執行狀態。例如，程式可以建立一個子程式來執行特定的任務，然後呼叫諸如 wait() 這樣的一些庫函式檢查子程式是否終止。如果子程式已經終止，那麼，它的終止代號將告訴父程式這個任務是否已成功地完成。
為了遵循這些設計原則，不允許 Linux 核心在程式一終止後就丟棄包含在程式描述符欄位中的資料。只有父程式發出了與被終止的程式相關的 wait() 類系統呼叫之後，才允許這樣做。這就是引入僵死狀態的原因：儘管從技術上來說程式已死，但必須儲存它的描述符，直到父程式得到通知。
如果一個程式已經終止，但是它的父程式尚未呼叫 wait() 或 waitpid() 對它進行清理，這時的程式狀態稱為僵死狀態，處於僵死狀態的程式稱為殭屍程式(zombie process)。任何程式在剛終止時都是殭屍程式，正常情況下，殭屍程式都立刻被父程式清理了。

殭屍程式是如何產生的

為了觀察到殭屍程式，我們自己寫一個不正常的程式，父程式 fork 出子程式，子程式終止，而父程式既不終止也不呼叫 wait 清理子程式：

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

int main(void)
{
    int i = 100;
    pid_t pid=fork();
    if(pid < 0)
    {
        perror("fork failed.");
        exit(1);
    }
    if(pid > 0)
    {
        printf("This is the parent process. My PID is %d.\n", getpid());
        for(; i > 0; i--)
        {
            sleep(1);
        }
    }
    else if(pid == 0)
    {
        printf("This is the child process. My PID is: %d. My PPID is: %d.\n", getpid(), getppid());
    }
    return 0;
}

把上面的程式碼儲存到檔案 zomprocdemo.c 檔案中，並執行下面的命令編譯：

$ gcc zomprocdemo.c -o zomprocdemo

然後執行編譯出來的 zomprocdemo 程式：

$ ./zomprocdemo

此時子程式已經退出，但是父程式沒有退出也沒有通過 wait() 呼叫處理子程式。我們使用 ps 命令檢視程式的狀態：

上圖紅框中的大寫字母 "Z" 說明 PID 為 112712 的程式此時處於僵死的狀態。

讓我們接著往下看！在結束 sleep 後父程式退出。當父程式退出後，子程式會變成孤兒程式，此時它會被一個管理程式收養。在不同的系統中，這個管理程式不太一樣，早期一般是 init 程式，Ubuntu 上是 upstart，還有近來的 Systemd。但是它們都完成相同的任務，就是 wiat() 這些孤兒程式，並最終釋放它們佔用的系統程式表中的資源。這樣，這些已經僵死的孤兒程式就徹底的被清除了。

殭屍程式的危害

在程式退出的時候，核心釋放該程式所有的資源，包括開啟的檔案，佔用的記憶體等。但是仍然為其保留一定的資訊(包括程式號 PID，退出狀態 the termination status of the process，執行時間 the amount of CPU time taken by the process 等)。直到父程式通過 wait / waitpid 來取時才釋放。

如果程式不呼叫 wait / waitpid 的話， 那麼保留的那段資訊就不會釋放，其程式號就會一直被佔用，但是系統所能使用的程式號是有限的，如果大量的產生僵死程式，將因為沒有可用的程式號而導致系統不能產生新的程式。

如何處理殭屍程式

殭屍程式的產生是因為父程式沒有 wait() 子程式。所以如果我們自己寫程式的話一定要在父程式中通過 wait() 來避免殭屍程式的產生。

當系統中出現了殭屍程式時，我們是無法通過 kill 命令把它清除掉的。但是我們可以殺死它的父程式，讓它變成孤兒程式，並進一步被系統中管理孤兒程式的程式收養並清理。

下面的 demo 中，父程式通過 wait() 等待子程式結束：

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

int main(void)
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        perror("fork failed");
        exit(1);
    }
    if (pid == 0) {
        int i;
         for (i = 3; i > 0; i--)
         {
            printf("This is the child\n");
            sleep(1);
         }
         // exit with code 3 for test.
        exit(3);
    }
    else
    {
        int stat_val;
        wait(&stat_val);
         if (WIFEXITED(stat_val))
         {
             printf("Child exited with code %d\n", WEXITSTATUS(stat_val));
         }            
    }
    return 0;
}

demo 中父程式不僅等待子程式結束，還通過 WEXITSTATUS 巨集取到了子程式的 exit code。

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