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【Linux】(1)—进程概念-④fork、僵尸进程、孤儿进程

news 2025/7/12 14:30:39

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前言
一、Linux进程状态

前言

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、Linux进程状态

Linux内核将进程状态定义在task_state_array数组中，我们可以通过查看内核源代码来了解这些状态：

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 */
};

主要进程状态详解

R (Running) 运行状态
- 表示进程正在CPU上执行或位于运行队列中准备执行
- 注意：运行状态并不意味着进程一定正在CPU上运行，可能只是在就绪队列中等待调度
S (Sleeping) 睡眠状态（可中断睡眠）
- 进程正在等待某个事件完成（如I/O操作）
- 这种睡眠可以被信号中断
- 使用ps命令查看时，大多数用户进程通常处于此状态
D (Disk Sleep) 磁盘休眠状态（不可中断睡眠）
- 一种特殊的睡眠状态，通常发生在进程等待I/O操作完成时
- 不可被信号中断，即使发送SIGKILL信号也无法终止
- 常见于磁盘I/O或某些关键内核操作
T (Stopped) 停止状态
- 进程被信号暂停执行（如通过SIGSTOP信号）
- 可以通过SIGCONT信号让进程继续执行
- 调试器常用此状态来检查被调试进程
X (Dead) 死亡状态
- 进程已经终止，等待被父进程回收
- 这是一个瞬时状态，用户通常看不到
Z (Zombie) 僵尸状态
- 进程已经终止，但其退出状态尚未被父进程读取
- 会保留在进程表中，直到父进程读取其退出状态
- 我们将在后面详细讨论僵尸进程

二、进程创建

在Linux中，创建新进程主要通过fork()系统调用实现。

fork()系统调用

fork()创建一个与父进程几乎完全相同的子进程，包括代码、数据段、堆栈等。

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);

成功时：
- 父进程返回子进程的PID
- 子进程返回0
失败时返回-1

fork()特性

写时复制(Copy-On-Write)
- 父子进程共享同一份物理内存，只有当任一进程尝试修改内存时，内核才会复制该内存页
- 这种机制提高了fork的效率，减少了不必要的内存复制
两个返回值
- fork()在父进程和子进程中各返回一次
- 通过返回值区分父子进程
共享文件描述符
- 子进程继承父进程打开的文件描述符
- 父子进程共享文件偏移量

fork()使用示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork failed");return 1;} else if (pid == 0) {// 子进程代码printf("Child process: PID=%d, PPID=%d\n", getpid(), getppid());} else {// 父进程代码printf("Parent process: PID=%d, Child PID=%d\n", getpid(), pid);}return 0;
}

fork()的典型应用场景

创建子进程执行新任务
- 如Web服务器为每个连接创建子进程处理请求
进程替换
- 结合exec系列函数，启动新程序
并行处理
- 将任务分解，由多个子进程并行处理

三、僵尸进程

什么是僵尸进程

僵尸进程（Zombie Process）是指已经终止但其退出状态尚未被父进程读取的进程。在Linux中，这种进程处于"Z"状态。

僵尸进程的产生

当进程退出时，内核会保留该进程的一些基本信息（如退出状态、CPU时间等）直到父进程通过wait()或waitpid()系统调用读取这些信息。如果父进程没有及时读取，子进程就会变成僵尸进程。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork");return 1;} else if (pid > 0) {  // 父进程printf("Parent[%d] sleeping...\n", getpid());sleep(30);  // 父进程睡眠，不回收子进程} else {  // 子进程printf("Child[%d] exiting...\n", getpid());exit(0);  // 子进程立即退出}return 0;
}

运行后使用ps aux查看，可以看到子进程状态为"Z"。

僵尸进程的危害

资源泄漏
- 内核需要维护进程的退出状态等信息，占用系统资源
- 每个僵尸进程都会占用一个进程表项
系统性能下降
- 大量僵尸进程会耗尽进程表，导致系统无法创建新进程
信息丢失风险
- 如果父进程始终不读取子进程退出状态，可能导致重要信息丢失

如何避免僵尸进程

使用wait()/waitpid()
- 父进程主动等待子进程结束并获取其退出状态

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

信号处理
- 注册SIGCHLD信号处理函数，在回调中调用wait()

#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>void sigchld_handler(int sig) {while (waitpid(-1, NULL, WNOHANG) > 0);
}int main() {signal(SIGCHLD, sigchld_handler);// ... fork()等代码
}

双重fork
- 让子进程再fork一个孙进程后立即退出，孙进程由init进程接管
忽略SIGCHLD信号
- 简单但不推荐，可能导致无法获取子进程退出状态

signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

四、孤儿进程

什么是孤儿进程

孤儿进程（Orphan Process）是指父进程先于子进程退出，导致子进程被init进程（PID=1）收养的进程。

孤儿进程的产生

当父进程意外终止（如崩溃或被杀死）而子进程仍在运行时，这些子进程就变成了孤儿进程。Linux内核会将孤儿进程的父进程PID改为1（init进程）。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int main() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork");return 1;} else if (pid == 0) {  // 子进程printf("Child[%d] starts, parent is %d\n", getpid(), getppid());sleep(10);  // 子进程睡眠10秒printf("Child[%d] ends, parent is now %d\n", getpid(), getppid());} else {  // 父进程printf("Parent[%d] exiting...\n", getpid());exit(0);  // 父进程立即退出}return 0;
}

运行后可以看到子进程的父进程ID从原来的父进程变成了1。

孤儿进程的特点

被init进程收养
- init进程会定期调用wait()清理其收养的孤儿进程
不会变成僵尸进程
- init进程会自动处理孤儿进程的退出状态
运行不受影响
- 除了父进程变化外，孤儿进程可以继续正常执行

孤儿进程 vs 僵尸进程

特性	孤儿进程	僵尸进程
产生原因	父进程先退出	子进程先退出且未被父进程回收
父进程	被init进程(PID=1)收养	保持原有父进程
进程状态	仍然运行	已终止(Z状态)
资源占用	正常运行的进程资源	占用进程表项
系统影响	无负面影响	可能导致进程表耗尽
清理方式	由init进程自动回收	需要父进程调用wait()回收