吉姆小窩: 防止 zombie 程序產生

作者: rock (遊手好閒的石頭成)

Date: 1999.11.20

在 unix 系統中，程序間有父子關係存在，當程序經由系統呼叫 fork() 產生另一個程序時，這兩個程序間就存在了父子關係。

當子程序結束時，系統會將子程序的結束狀態保存起來，接著發出訊號 SIGCHLD 通知父程序來取子程序的結束狀態碼，通常是透過系統呼叫 wait() 來取得。

如果父程序比子程序早結束的話，則子程序將成為孤兒，那麼系統會將此孤兒交給程序 init (pid = 0) ，由init 程序取得子程序的結束狀態碼。 ps.在 unix 系統中，第一個被執行的程序，一定叫 init ，因此它的 pid 為 0 。

不論是由父程序還是 init 程序取得，當子程序的結束狀態碼被取出後，系統就會將子程序的狀態資訊，從處理程序表中移除，到此，一個程序才算是整個結束掉。

而如果父程序仍然存在，但是卻忘了處理子程序結束的事情，那麼系統會將此子程序的結束狀態碼一直保存在處理程序表中，直到父程序處理為止。

如果父程序根本忘了要處理的話，那麼就會形成一個 zombie 程序，已經完全沒有活動，所使用的資源也都被系統回收了，但是仍然佔了處理程序表的一筆記錄。

因為系統對於 SIGCHLD 訊號的處理方式，預設是不理會，如果父程序忘了設定捕捉 SIGCHLD 訊號，也沒有使用 wait() 去等待子程序結束的話，就會出現 zombie 程序。

這種情形通常發生在 deamon 程式或專門在背景運作的程式的身上，由於設計者的疏失，導致 zombie 程序的產生，消耗處理程序表的空間，當處理程序表的空間被佔滿後，則系統將無法將產生任何程序執行工作。

一般的程式由於生命週期有限，所以通常不需在意這個問題，當父程序的生命週期結束後，子程序就成為孤兒，被系統交給 init 程序處理掉了。

但對一個 deamon 來說，由於生命週期無限，這個問題就不得不處理了。

以下有幾個方法可以解決這個問題:

1.利用兩次 fork() ，形成祖孫關係，由於系統只承認程序間的父子關係，並不承認祖孫關係，這樣可讓新生的程序在結束時，自然地形成孤兒，由系統交給 init 程序執行。

if( fork() )
if( fork() )
exit(0); (父程序)
else
. . . (孫程序)
else
. . . (祖程序)

這個方法，適用在所有的系統中，不管是 BSD 還是 System V (SVR) 都可以，缺點是要跑兩次 fork()。

不過在使用這個方法時，請確定父程序完全不需要知道子程序的結束狀態。

2.對一個 SYSV 系統來說，如果不需要知道子程序的結束狀態，父程序可以明確地告訴系統它忽略子程序的結束狀態，系統在子程序結束時，就會直接將子程序的資訊從處理程序表中移除，而不會通知並等待父程序。

signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

特別注意的是，雖然 SIGCHLD 的預設處理方式就是忽略，但對系統而言，預設處理方式是設定為 SIG_DFL ，跟設定為 SIG_IGN 的意義不同，如果不明確地設定 SIGCHLD 訊號的處理方式為 SIG_IGN ，系統仍然會通知並等待父程序。

由於 POSIX 中，對於設定 SIGCHLD 的處理方式為 SIG_IGN 的後續動作，沒有定義，因此在不是 SYSV 的系統中，這個方法不能用。

3.對一個 BSD 系統來說，則必須捕捉 SIGCHLD 訊號，如下:

void reapchild() {
while( wait(NULL) <= 0 )
/*NOTHING*/;
}
. . .
signal( SIGCHLD, reapchild);

這的方法仍然是在父程序確定不需要子程序結束狀態時用的。

這個方法只適用於 BSD 系統，這是由於 signal() 的處理方法，存在系統間的差異，在 BSD 系統上，當一個訊號發生，並且被捕捉後，系統仍然會繼續使用舊的設定，但在 SYSV 的系統上，當一個訊號發生並被捕捉後，系統會自動重設此訊號的處理方式為 SIG_DFL ，這樣上面的寫法就會有問題: reapchild() 只能用一次。

在 System V 的系統中，應用第二種方法，或改用 POSIX 定義的 sigaction() 取代 signal()、或修改 reapchild() 的寫法，改成:

void reapchild() {
signal( SIGCHLD, reapchild); // 加上再設定的動作。
while( wait(NULL) <= 0 )
/*NOTHING*/;
}

修改後的內容，可以同時適用在 BSD 或 SVR 的系統上。

4.如果父程序想知道子程序的結束狀態，那只有捕捉 SIGCHLD 的方法可用了，為了避免 signal() 在系統上的行為差異，這裡是用 sigcation() 。

int child_stat;
void reapchild() {
while( wait(&child_stat) <= 0 )
/*NOTHING or your code*/;
}
. . .
struct sigaction act;
act.sa_handler = reapchild;
act.sa_flags = SA_NOCLDSTOP;
sigaction( SIGCHLD, &act, NULL);

由於 SIGCHLD 在子程序暫停時也會產生，但這裡要處理的是子程序結束的情形，而不是子程序暫停，所以加上了 SA_NOCLDSTOP 的設定，要求系統在子程序暫停時，不要對父程序發出 SIGCHLD 訊號。

PS. sigaction(), struct sigaction, SIGCHLD, SA_NOCLDSTOP 都是 POSIX 有定義的。

由於 POSIX 沒有定義 signal() ，因此這裡如果不用 sigaction() 而用 signal() 的話，將會有系統間的差異存在。

如果真的想用 signal() (雖然我不知道有什麼理由非用不可) ，請參考第三種方法中，關於 SVR 適用問題的修改內容。

最後在補充一點的是，這裡討論的方法，是假設這是一個非同步多工程式，在同一時間需要產生多個子程序同時工作，在此非同步工作的情形下，父程序為了當握子程序的動態，只有捕捉 SIGCHLD 訊號。

而如果這是一個同步工作程式，父程序需等待子程序完成特定工作，才能繼續後來的工作時，就不需要捕捉 SIGCHLD ，直接利用系統呼叫 wait() 即可。

例如:

if( fork() == 0 ) {
/* 子程序 */ . . .
} else {
/* 父程序 */
while( wait(NULL) < 0 ) {
/* 等待子程序結束 */
if( errno == EINTR )
continue;
else if ( errno == ECHILD )
FATAL(『There are no children process!』);
}
. . . /* 子程序結束後，才可進行的工作 */
}

附註:

System V Release = SYSV = SVR

SVR4 = System V Release 4.0

Copyright (c) Shih Yuncheng <shirock@educities.edu.tw>.

Rock's saying: http://home.educities.edu.tw/shirock/

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http://www.fsf.org/licenses/fdl.html

吉姆小窩

Sunday, December 04, 2011

防止 zombie 程序產生

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