fork()和僵尸进程

2018-01-03@望京

关于fork()函数，Unix/Linux提供的fork()系统调用，fork()一次返回两次，

操作系统自动把当前进程（称为父进程）复制了一份（称为子进程），然后，分别在父进程和子进程内返回；

子进程永远返回 0，而父进程返回子进程的ID。

父进程结束时，子进程并不会随父进程立刻结束；同样，父进程不会等待子进程执行完。

　　- Python里fork()的使用

示例一

#!/usr/bin/python3

import os

print('Process (%s) start...' % os.getpid())
# Only works on Unix/Linux/Mac
pid = os.fork()
if pid == 0:
    print('I am child process (%s) and my parent is %s.' % (os.getpid(), os.getppid()))
else:
    print('I (%s) just created a child process (%s).' % (os.getpid(), pid))


####### 结果 #########
Process (25912) start...
I (25912) just created a child process (25913).
I am child process (25913) and my parent is 25912.

示例二

#!/usr/bin/python3

import os
import time
 
#创建子进程之前声明的变量
source = 10
try:
    pid = os.fork()
    if pid == 0: #子进程
        print('I am child process (%s) and my parent is %s.' % (os.getpid(), os.getppid()))
        #在子进程中source自减1
        source -= 1
        time.sleep(1)
    else: #父进程
        print('I (%s) just created a child process (%s).' % (os.getpid(), pid))
    print(source)
    time.sleep(2)
except OSError as e:
    print("exception ",e)

####### 结果 ########
I (12807) just created a child process (12808).
10
I am child process (12808) and my parent is 12807.
9

　　- 服务器里的僵尸进程是怎么产生的？

参考：https://www.cnblogs.com/yuxingfirst/p/3165407.html

参考：http://blog.csdn.net/qq_20218109/article/details/52078076

参考：http://blog.51cto.com/forlinux/1422438

子进程结束后，但是父进程还没有结束的时候，子进程是出于Zombie状态的，这个需要父进程去收集子进程的信息释放子进程。

如果父进程结束了子进程没有结束，那么子进程就会寄托给pid为1的进程来管理。

给进程设置僵尸状态的目的是维护子进程的信息，以便父进程在以后某个时间获取，

这些信息包括子进程的进程ID、终止状态以及资源利用信息(CPU时间，内存使用量等等)；

僵尸进程的产生示例

子进程先于父进程退出，同时父进程又没有调用wait/waitpid，则该子进程将成为僵尸进程。

#!/usr/bin/python3

import os
import time
 
try:
    pid = os.fork()
    if pid == 0: #子进程
        print('I am child process (%s) and my parent is %s.' % (os.getpid(), os.getppid()))
    else: #父进程
        print('I (%s) just created a child process (%s).' % (os.getpid(), pid))
        time.sleep(50)
    print('%s end' % os.getpid())
except OSError as e:
    print("exception ",e)


###### 结果 ######
I (19668) just created a child process (19669).
I am child process (19669) and my parent is 19668.
19669 end
19668 end   # 这里sleep了50秒才打印

程序运行时，结合ps命令查看僵尸进程情况：

root@10.13.17.16[13:30:40]$ ps -A -ostat,ppid,pid,cmd | grep -e '^[Zz]'
Z+   19668 19669 [forkkk.py] <defunct>
root@10.13.17.16[13:31:28]$ 
root@10.13.17.16[13:31:28]$ ps -A -ostat,ppid,pid,cmd | grep forkkk
S+   10582 19668 /usr/bin/python3 ./forkkk.py
Z+   19668 19669 [forkkk.py] <defunct>    # 显然pid是19669，即子进程的id，子进程已经执行结束了，但是此时父进程19668还没有执行完。
S+   17673 19678 grep forkkk
root@10.13.17.16[13:31:30]$

　　- 如何避免出现僵尸进程呢/如何回收僵尸进程？

1. 信号方式

当子进程退出的时候，内核都会给父进程一个SIGCHLD信号，

所以我们可以建立一个捕获SIGCHLD信号的信号处理函数，在函数体中调用wait（或waitpid），就可以清理退出的子进程以达到防止僵尸进程的目的。

#!/usr/bin/python3

import os
import time
import signal

def childhandler(*args, **kwargs):
    while True:
        try:
            result = os.waitpid(-1, os.WNOHANG)
        except:
            break
        else:
            print("Reaped child process %(pid)d, status is %(status)s" % \
                {'pid':result[0], 'status':result[1]})

if __name__ == '__main__':
    signal.signal(signal.SIGCHLD, childhandler)
    print("Before the fork, parent PID is %s" % os.getpid())
    pid = os.fork()
    if pid:
        print("Hello from the parent, the child PID is %s" % pid)
        print("Parent sleeping 10 seconds ...")
        time.sleep(10)
        print("Parent sleep done.")
    else:
        print("Child sleeping 3 seconds ...")
        time.sleep(3)
        print("Child sleep done.")

###### 结果 ######
Before the fork, parent PID is 18998
Hello from the parent, the child PID is 18999
Parent sleeping 10 seconds ...
Child sleeping 3 seconds ...
Child sleep done.
Reaped child process 18999, status is 0
Parent sleep done.

os.waitpid()

-1            表示等待主进程的所有子进程终止
os.WNOHANG    表示如果没有已经终止的子进程就立即返回

2. 父进程轮询检查子进程并回收

#!/usr/bin/python3

import os
import time

def recovery():
    while True:
        try:
            result = os.waitpid(-1, os.WNOHANG)
            #result = os.wait()
        except:
            break
        else:
            return result

if __name__ == '__main__':
    print("Before the fork, parent PID is %s" % os.getpid())
    pid = os.fork()
    if pid:
        print("Hello from the parent, the child PID is %s" % pid)
        while True:
            res = recovery()
            time.sleep(0.5)
            print('one loop...')
            if res[0]:
                print("Reaped child process %(pid)d, status is %(status)s" % \
                    {'pid':res[0], 'status':res[1]})
                break
        print("Parent run end...")
    else:
        print("Child sleeping 3 seconds ...")
        time.sleep(3)
        print("Child sleep done.")

###### 结果 ######
Before the fork, parent PID is 3391
Hello from the parent, the child PID is 3392
Child sleeping 3 seconds ...
one loop...
one loop...
one loop...
one loop...
one loop...
one loop...
Child sleep done.
one loop...
one loop...
Reaped child process 3392, status is 0
Parent run end...

轮询的方式没有办法很及时的处理僵尸进程（取决于轮询的时间间隔）。

注意：

- result = os.waitpid(-1, os.WNOHANG) 这种方式不会阻塞调用者。

- result = os.wait() 这种会阻塞调用者，导致不会进行轮询。

3. fork()两次/Python实现守护进程

父进程一次fork()后产生一个子进程，随后父进程立即执行waitpid(子进程pid, NULL, 0)来等待子进程结束，然后子进程fork()后产生孙子进程随后立即exit(0)。

这样子进程顺利终止（父进程仅仅给子进程收尸，并不需要子进程的返回值），然后父进程继续执行。

这时的孙子进程由于失去了它的父进程（即是父进程的子进程），将被转交给Init进程托管。

于是父进程与孙子进程无继承关系了，它们的父进程均为Init，Init进程在其孙子进程结束时会自动收尸，这样也就不会产生僵尸进程了。

详情见：http://blog.tangyingkang.com/post/2016/10/20/python-daemon/ *****

fork()两次不是必须的：https://segmentfault.com/a/1190000008556669 *****

import os
import sys
import atexit

def daemonize(pid_file=None):
    """
    创建守护进程
    :param pid_file: 保存进程id的文件
    :return:
    """
    # 从父进程fork一个子进程出来
    pid = os.fork()
    # 子进程的pid一定为0，父进程大于0
    if pid:
        # 退出父进程，sys.exit()方法比os._exit()方法会多执行一些刷新缓冲工作
        sys.exit(0)

    # 子进程默认继承父进程的工作目录，最好是变更到根目录，否则回影响文件系统的卸载
    os.chdir('/')
    # 子进程默认继承父进程的umask（文件权限掩码），重设为0（完全控制），以免影响程序读写文件
    os.umask(0)
    # 让子进程成为新的会话组长和进程组长
    os.setsid()

    # 注意了，这里是第2次fork，也就是子进程的子进程，我们把它叫为孙子进程
    _pid = os.fork()
    if _pid:
        # 退出子进程
        sys.exit(0)

    # 此时，孙子进程已经是守护进程了，接下来重定向标准输入、输出、错误的描述符(是重定向而不是关闭, 这样可以避免程序在 print 的时候出错)

    # 刷新缓冲区先，小心使得万年船
    sys.stdout.flush()
    sys.stderr.flush()

    # dup2函数原子化地关闭和复制文件描述符，重定向到/dev/nul，即丢弃所有输入输出
    with open('/dev/null') as read_null, open('/dev/null', 'w') as write_null:
        os.dup2(read_null.fileno(), sys.stdin.fileno())
        os.dup2(write_null.fileno(), sys.stdout.fileno())
        os.dup2(write_null.fileno(), sys.stderr.fileno())

    # 写入pid文件
    if pid_file:
        with open(pid_file, 'w+') as f:
            f.write(str(os.getpid()))
        # 注册退出函数，进程异常退出时移除pid文件
        atexit.register(os.remove, pid_file)