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谈谈守护进程与僵尸进程

 
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04年时维护的第一个商业服务就用了两次fork产生守护进程的做法,前两天在网上看到许多帖子以及一些unix书籍,认为一次fork后产生守护进程足够了,各有道理吧,不过多了一次fork到底是出于什么目的呢?


进程也就是task,看看内核里维护进程的数据结构task_struct,这里有两个成员:

struct task_struct {
	volatile long state;
	int exit_state;
	...
}

看看include/linux/sched.h里的value取值:

#define TASK_RUNNING		0
#define TASK_INTERRUPTIBLE	1
#define TASK_UNINTERRUPTIBLE	2
#define __TASK_STOPPED		4
#define __TASK_TRACED		8
/* in tsk->exit_state */
#define EXIT_ZOMBIE		16
#define EXIT_DEAD		32
/* in tsk->state again */
#define TASK_DEAD		64
#define TASK_WAKEKILL		128
#define TASK_WAKING		256
#define TASK_STATE_MAX		512

可以看到,进程状态里除了大家都理解的running/interuptible/uninterruptible/stop等状态外,还有一个ZOMBIE状态,这个状态是怎么回事呢?


这是因为linux里的进程都属于一颗树,树的根结点是linux系统初始化结束阶段时启动的init进程,这个进程的pid是1,所有的其他进程都是它的子孙。除了init,任何进程一定有他的父进程,而父进程会负责分配(fork)、回收(wait4)它申请的进程资源。这个树状关系也比较健壮,当某个进程还在运行时,它的父进程却退出了,这个进程却没有成为孤儿进程,因为linux有一个机制,init进程会接管它,成为它的父进程。这也是守护进程的由来了,因为守护进程的其中一个要求就是希望init成为守护进程的父进程。


如果某个进程自身终止了,在调用exit清理完相关的内容文件等资源后,它就会进入ZOMBIE状态,它的父进程会调用wait4来回收这个task_struct,但是,如果父进程一直没有调用wait4去释放子进程的task_struct,问题就来了,这个task_struct谁来回收呢?永远没有人,除非父进程终止后,被init进程接管这个ZOMBIE进程,然后调用wait4来回收进程描述符。如果父进程一直在运行着,这个ZOMBIE会永远的占用系统资源,用KILL发任何信号量也不能释放它。这是很可怕的,因为服务器上可能会出现无数ZOMBIE进程导致机器挂掉。


来看看内核代码吧。进程在退出时执行sys_exit(C程序里在main函数返回会执行到),而它会调用do_exit,do_exit首先清理进程使用的资源,然后调用exit_notify方法,将进程置为僵尸ZOMBIE状态,决定是否要以init进程做为当前进程的父进程,最后通知当前进程的父进程:

kernel/exit.c

static void exit_notify(struct task_struct *tsk)
{
	int state;
	struct task_struct *t;
	struct list_head ptrace_dead, *_p, *_n;

	if (signal_pending(tsk) && !tsk->signal->group_exit
	    && !thread_group_empty(tsk)) {
		/*
		 * This occurs when there was a race between our exit
		 * syscall and a group signal choosing us as the one to
		 * wake up.  It could be that we are the only thread
		 * alerted to check for pending signals, but another thread
		 * should be woken now to take the signal since we will not.
		 * Now we'll wake all the threads in the group just to make
		 * sure someone gets all the pending signals.
		 */
		read_lock(&tasklist_lock);
		spin_lock_irq(&tsk->sighand->siglock);
		for (t = next_thread(tsk); t != tsk; t = next_thread(t))
			if (!signal_pending(t) && !(t->flags & PF_EXITING)) {
				recalc_sigpending_tsk(t);
				if (signal_pending(t))
					signal_wake_up(t, 0);
			}
		spin_unlock_irq(&tsk->sighand->siglock);
		read_unlock(&tasklist_lock);
	}

	write_lock_irq(&tasklist_lock);

	/*
	 * This does two things:
	 *
  	 * A.  Make init inherit all the child processes
	 * B.  Check to see if any process groups have become orphaned
	 *	as a result of our exiting, and if they have any stopped
	 *	jobs, send them a SIGHUP and then a SIGCONT.  (POSIX 3.2.2.2)
	 */

	INIT_LIST_HEAD(&ptrace_dead);
	forget_original_parent(tsk, &ptrace_dead);
	BUG_ON(!list_empty(&tsk->children));
	BUG_ON(!list_empty(&tsk->ptrace_children));

	/*
	 * Check to see if any process groups have become orphaned
	 * as a result of our exiting, and if they have any stopped
	 * jobs, send them a SIGHUP and then a SIGCONT.  (POSIX 3.2.2.2)
	 *
	 * Case i: Our father is in a different pgrp than we are
	 * and we were the only connection outside, so our pgrp
	 * is about to become orphaned.
	 */
	 
	t = tsk->real_parent;
	
	if ((process_group(t) != process_group(tsk)) &&
	    (t->signal->session == tsk->signal->session) &&
	    will_become_orphaned_pgrp(process_group(tsk), tsk) &&
	    has_stopped_jobs(process_group(tsk))) {
		__kill_pg_info(SIGHUP, (void *)1, process_group(tsk));
		__kill_pg_info(SIGCONT, (void *)1, process_group(tsk));
	}

	/* Let father know we died 
	 *
	 * Thread signals are configurable, but you aren't going to use
	 * that to send signals to arbitary processes. 
	 * That stops right now.
	 *
	 * If the parent exec id doesn't match the exec id we saved
	 * when we started then we know the parent has changed security
	 * domain.
	 *
	 * If our self_exec id doesn't match our parent_exec_id then
	 * we have changed execution domain as these two values started
	 * the same after a fork.
	 *	
	 */
	
	if (tsk->exit_signal != SIGCHLD && tsk->exit_signal != -1 &&
	    ( tsk->parent_exec_id != t->self_exec_id  ||
	      tsk->self_exec_id != tsk->parent_exec_id)
	    && !capable(CAP_KILL))
		tsk->exit_signal = SIGCHLD;


	/* If something other than our normal parent is ptracing us, then
	 * send it a SIGCHLD instead of honoring exit_signal.  exit_signal
	 * only has special meaning to our real parent.
	 */
	if (tsk->exit_signal != -1 && thread_group_empty(tsk)) {
		int signal = tsk->parent == tsk->real_parent ? tsk->exit_signal : SIGCHLD;
		do_notify_parent(tsk, signal);
	} else if (tsk->ptrace) {
		do_notify_parent(tsk, SIGCHLD);
	}

	state = EXIT_ZOMBIE;
	if (tsk->exit_signal == -1 && tsk->ptrace == 0)
		state = EXIT_DEAD;
	tsk->exit_state = state;

	/*
	 * Clear these here so that update_process_times() won't try to deliver
	 * itimer, profile or rlimit signals to this task while it is in late exit.
	 */
	tsk->it_virt_value = 0;
	tsk->it_prof_value = 0;

	write_unlock_irq(&tasklist_lock);

	list_for_each_safe(_p, _n, &ptrace_dead) {
		list_del_init(_p);
		t = list_entry(_p,struct task_struct,ptrace_list);
		release_task(t);
	}

	/* If the process is dead, release it - nobody will wait for it */
	if (state == EXIT_DEAD)
		release_task(tsk);

	/* PF_DEAD causes final put_task_struct after we schedule. */
	preempt_disable();
	tsk->flags |= PF_DEAD;
}

大家可以看到这段内核代码的注释非常全。forget_original_parent这个函数还会把该进程的所有子孙进程重设父进程,交给init进程接管。


回过头来,看看为什么守护进程要fork两次。这里有一个假定,父进程生成守护进程后,还有自己的事要做,它的人生意义并不只是为了生成守护进程。这样,如果父进程fork一次创建了一个守护进程,然后继续做其它事时阻塞了,这时守护进程一直在运行,父进程却没有正常退出。如果守护进程因为正常或非正常原因退出了,就会变成ZOMBIE进程。

如果fork两次呢?父进程先fork出一个儿子进程,儿子进程再fork出孙子进程做为守护进程,然后儿子进程立刻退出,守护进程被init进程接管,这样无论父进程做什么事,无论怎么被阻塞,都与守护进程无关了。所以,fork两次的守护进程很安全,避免了僵尸进程出现的可能性。

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