Linux系统中处理子进程的终止问题

1. 理解子进程终止的机制

在Unix/Linux系统中，当子进程终止时，会向父进程发送一个SIGCHLD信号。父进程需要捕捉这个信号，并通过调用wait()或waitpid()等函数来回收子进程的资源。这一过程被称为“回收僵尸进程”。

如果父进程没有及时调用wait()或相关函数，子进程将会成为僵尸进程，占用系统资源，直到父进程终止或调用相应的等待函数。

2. 使用wait()和waitpid()函数

• wait()：使父进程阻塞，直到任一子进程终止。它会返回终止子进程的PID，并存储子进程的退出状态。
• waitpid()：提供更精细的控制，可以等待特定的子进程或采用非阻塞方式。

例子：阻塞等待子进程终止

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid = fork();  // 创建子进程if (pid < 0) {std::cerr << "Fork failed!" << std::endl;return 1;}else if (pid == 0) {// 子进程执行的代码std::cout << "子进程PID：" << getpid() << " 启动。" << std::endl;sleep(2);  // 模拟子进程工作std::cout << "子进程PID：" << getpid() << " 结束。" << std::endl;return 42;  // 子进程以状态42退出}else {// 父进程执行的代码std::cout << "父进程PID：" << getpid() << " 等待子进程结束。" << std::endl;int status;pid_t terminated_pid = wait(&status);  // 阻塞等待任一子进程结束if (terminated_pid > 0) {if (WIFEXITED(status)) {std::cout << "子进程PID：" << terminated_pid << " 以状态 " << WEXITSTATUS(status) << " 退出。" << std::endl;}else if (WIFSIGNALED(status)) {std::cout << "子进程PID：" << terminated_pid << " 被信号 " << WTERMSIG(status) << " 终止。" << std::endl;}}else {std::cerr << "等待子进程失败。" << std::endl;}}return 0;
}

输出示例：

父进程PID：12345 等待子进程结束。
子进程PID：12346 启动。
子进程PID：12346 结束。
子进程PID：12346 以状态 42 退出。

代码解释：

1. 父进程调用fork()创建子进程。
2. 子进程执行自己的任务后，以状态42退出。
3. 父进程调用wait()阻塞等待子进程结束，并获取子进程的退出状态。
4. 父进程通过宏WIFEXITED和WEXITSTATUS判断子进程是否正常退出及其退出状态。

3. 使用SIGCHLD信号处理异步回收

为了避免父进程被阻塞，可以通过信号处理函数异步处理子进程的终止。这在需要父进程继续执行其他任务时非常有用。

例子：使用SIGCHLD处理子进程终止

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#include <cstring>// 信号处理函数
void sigchld_handler(int signum) {// 循环回收所有已终止的子进程while (true) {int status;pid_t pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);if (pid <= 0) {break;}if (WIFEXITED(status)) {std::cout << "[Signal Handler] 子进程PID：" << pid << " 以状态 " << WEXITSTATUS(status) << " 退出。" << std::endl;}else if (WIFSIGNALED(status)) {std::cout << "[Signal Handler] 子进程PID：" << pid << " 被信号 " << WTERMSIG(status) << " 终止。" << std::endl;}}
}int main() {// 注册SIGCHLD信号处理函数struct sigaction sa;sa.sa_handler = sigchld_handler;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP;if (sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL) == -1) {std::cerr << "无法注册SIGCHLD处理器：" << strerror(errno) << std::endl;return 1;}pid_t pid = fork();  // 创建子进程if (pid < 0) {std::cerr << "Fork failed!" << std::endl;return 1;}else if (pid == 0) {// 子进程执行的代码std::cout << "子进程PID：" << getpid() << " 启动。" << std::endl;sleep(2);  // 模拟子进程工作std::cout << "子进程PID：" << getpid() << " 结束。" << std::endl;return 24;  // 子进程以状态24退出}else {// 父进程执行的其他任务std::cout << "父进程PID：" << getpid() << " 正在执行其他任务。" << std::endl;// 模拟父进程执行其他任务for (int i = 0; i < 5; ++i) {std::cout << "父进程执行中：" << i + 1 << std::endl;sleep(1);}// 父进程结束前确保所有子进程已被回收// 可以调用wait(NULL)或者让信号处理器完成回收}return 0;
}

输出示例：

父进程PID：12345 正在执行其他任务。
子进程PID：12346 启动。
父进程执行中：1
父进程执行中：2
子进程PID：12346 结束。
[Signal Handler] 子进程PID：12346 以状态 24 退出。
父进程执行中：3
父进程执行中：4
父进程执行中：5

代码解释：

1. 注册SIGCHLD信号处理器：
   • 使用sigaction结构体注册sigchld_handler函数作为SIGCHLD信号的处理器。
   • SA_RESTART标志用于在信号处理后自动重启被中断的系统调用。
   • SA_NOCLDSTOP标志表示当子进程停止或继续时，父进程不接收SIGCHLD信号。
2. 创建子进程：
   • 子进程执行自己的任务并以状态24退出。
3. 父进程执行其他任务：
   • 父进程在等待子进程结束的同时，继续执行其他任务，不会被阻塞。
4. 信号处理函数sigchld_handler：
   • 当子进程终止时，SIGCHLD信号会被触发，sigchld_handler函数会被调用。
   • 在函数内部，使用waitpid和WNOHANG选项非阻塞地回收所有已终止的子进程，防止僵尸进程的产生。

4. 避免僵尸进程的策略

• 及时调用wait()或waitpid()：确保父进程在子进程终止后，立即回收其资源。
• 使用信号处理器：如上文所示，通过注册SIGCHLD信号处理器，可以在子进程终止时自动回收资源，而不需要父进程主动等待。
• 设置SIGCHLD为SIG_IGN：在一些系统上，可以通过将SIGCHLD信号的处理方式设置为忽略，从而自动回收子进程资源。这种方法不适用于所有情况，需谨慎使用。

例子：设置SIGCHLD为忽略

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <cstring>int main() {// 设置SIGCHLD为忽略signal(SIGCHLD, SIG_IGN);pid_t pid = fork();  // 创建子进程if (pid < 0) {std::cerr << "Fork failed!" << std::endl;return 1;}else if (pid == 0) {// 子进程执行的代码std::cout << "子进程PID：" << getpid() << " 启动。" << std::endl;sleep(2);  // 模拟子进程工作std::cout << "子进程PID：" << getpid() << " 结束。" << std::endl;return 0;}else {// 父进程执行其他任务std::cout << "父进程PID：" << getpid() << " 正在执行其他任务。" << std::endl;sleep(5);  // 父进程等待子进程结束}return 0;
}

注意事项：

• 这种方法依赖于系统对SIGCHLD的具体实现，不保证在所有Unix/Linux系统中都有效。
• 尽管简便，但可能无法获取子进程的退出状态，限制了错误处理和日志记录的能力。

5. 处理多个子进程的终止

当父进程创建多个子进程时，需要确保所有子进程的终止都被正确处理，以避免僵尸进程。可以在SIGCHLD处理函数中使用循环调用waitpid，直到所有终止的子进程都被回收。

例子：处理多个子进程

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#include <vector>
#include <cstring>// 信号处理函数
void sigchld_handler(int signum) {// 循环回收所有已终止的子进程while (true) {int status;pid_t pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);if (pid <= 0) {break;}if (WIFEXITED(status)) {std::cout << "[Signal Handler] 子进程PID：" << pid << " 以状态 " << WEXITSTATUS(status) << " 退出。" << std::endl;}else if (WIFSIGNALED(status)) {std::cout << "[Signal Handler] 子进程PID：" << pid << " 被信号 " << WTERMSIG(status) << " 终止。" << std::endl;}}
}int main() {// 注册SIGCHLD信号处理函数struct sigaction sa;sa.sa_handler = sigchld_handler;sigemptyset(&sa.sa_mask);sa.sa_flags = SA_RESTART | SA_NOCLDSTOP;if (sigaction(SIGCHLD, &sa, NULL) == -1) {std::cerr << "无法注册SIGCHLD处理器：" << strerror(errno) << std::endl;return 1;}std::vector<pid_t> child_pids;// 创建多个子进程for (int i = 0; i < 3; ++i) {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {std::cerr << "Fork failed!" << std::endl;return 1;}else if (pid == 0) {// 子进程执行的代码std::cout << "子进程PID：" << getpid() << " 启动。" << std::endl;sleep(2 + i);  // 模拟不同的工作时间std::cout << "子进程PID：" << getpid() << " 结束。" << std::endl;return i;}else {// 父进程记录子进程PIDchild_pids.push_back(pid);}}// 父进程执行其他任务std::cout << "父进程PID：" << getpid() << " 正在执行其他任务。" << std::endl;sleep(6);  // 等待所有子进程结束// 由于SIGCHLD处理器已经回收了子进程，父进程无需再次调用waitreturn 0;
}

输出：

父进程PID：12345 正在执行其他任务。
子进程PID：12346 启动。
子进程PID：12347 启动。
子进程PID：12348 启动。
子进程PID：12346 结束。
[Signal Handler] 子进程PID：12346 以状态 0 退出。
子进程PID：12347 结束。
[Signal Handler] 子进程PID：12347 以状态 1 退出。
子进程PID：12348 结束。
[Signal Handler] 子进程PID：12348 以状态 2 退出。

代码解释：

1. 创建多个子进程：循环调用fork()创建三个子进程，每个子进程有不同的工作时间。
2. 信号处理函数：sigchld_handler会被多次调用，以回收每个子进程的资源。
3. 父进程执行其他任务：父进程在子进程运行期间继续执行其他任务，不会被阻塞。
4. 无需显式等待：由于信号处理器已经负责回收子进程，父进程无需再次调用wait()或waitpid()。

6. 使用prctl设置子进程终止时的行为

在某些情况下，可以通过prctl系统调用设置子进程终止时的行为。例如，可以设置PR_SET_CHILD_SUBREAPER，使得特定的进程成为“子进程的收割者”，用于复杂的进程管理。

例子：设置PR_SET_CHILD_SUBREAPER

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <signal.h>
#include <cstring>
#include <sys/prctl.h>int main() {// 将当前进程设置为子进程的收割者if (prctl(PR_SET_CHILD_SUBREAPER, 1) == -1) {std::cerr << "prctl failed: " << strerror(errno) << std::endl;return 1;}pid_t pid = fork();if (pid < 0) {std::cerr << "Fork failed!" << std::endl;return 1;}else if (pid == 0) {// 子进程执行的代码std::cout << "子进程PID：" << getpid() << " 启动。" << std::endl;sleep(2);std::cout << "子进程PID：" << getpid() << " 结束。" << std::endl;return 0;}else {// 父进程作为子进程的收割者，等待子进程结束std::cout << "父进程设置为子进程的收割者，等待子进程结束。" << std::endl;int status;pid_t terminated_pid = wait(&status);if (terminated_pid > 0) {if (WIFEXITED(status)) {std::cout << "子进程PID：" << terminated_pid << " 以状态 " << WEXITSTATUS(status) << " 退出。" << std::endl;}}}return 0;
}

代码解释：

• prctl(PR_SET_CHILD_SUBREAPER, 1)：将当前进程设置为子进程的收割者，使其能够回收其子孙进程的资源。
• 这种设置在需要复杂的子进程管理，或在容器化环境中非常有用。