106.进程控制(结束、孤儿、僵尸进程)以及进程回收

结束进程

孤儿进程

僵尸进程

进程回收

wait()

waitpid

进程控制是指在操作系统中对进程进行创建、终止、挂起、唤醒以及进程之间的同步、通信等操作的管理。

结束进程

exit() 和 _exit() 函数都用于终止一个进程，但它们之间有一些重要的区别：

exit() 函数：
头文件： #include <stdlib.h>
功能： exit() 函数用于正常终止程序的执行。它执行一系列清理操作，包括调用通过 atexit() 注册的终止处理程序，并将程序的返回状态传递给操作系统。
清理操作： 会调用通过 atexit() 注册的终止处理程序，关闭文件流（通过 fclose()），刷新缓冲区等。
使用范例：
#include <stdlib.h>

int main() {
    // 一些代码

    // 正常退出，返回状态码 0
    exit(0);
}
_exit() 函数：
头文件： #include <unistd.h>
功能： _exit() 函数也用于终止程序，但它是一个较低级别的函数。它不会执行 exit() 做的清理工作，包括不会调用通过 atexit() 注册的函数，不会刷新 I/O 缓冲区等。
适用场景： _exit() 主要用于在子进程中立即终止程序而无需执行清理操作。在这种情况下，使用 _exit() 可以避免执行 exit() 中的一些不必要的操作。
使用范例：
#include <unistd.h>

int main() {
    // 一些代码

    // 立即退出，不执行清理操作
    _exit(0);
}
在大多数情况下，如果你需要正常终止程序并执行清理操作，应该使用 exit() 函数。如果你希望在子进程中立即退出，可以使用 _exit()。

孤儿进程

孤儿进程是指在其父进程结束或者被终止后，仍然在系统中运行的子进程。孤儿进程会被操作系统的 init 进程（进程号为1）接管，并由 init 进程负责回收。这确保了孤儿进程不会成为系统资源的泄漏。

当一个进程创建了子进程，而父进程先于子进程结束，那么子进程就会变成孤儿进程。这通常发生在父进程创建子进程后，父进程先于子进程调用 exit() 终止，或者父进程意外崩溃的情况。

init 进程会定期检查是否有孤儿进程，如果发现孤儿进程，就会成为孤儿进程的新的父进程，并负责回收它的资源。这种处理方式确保了操作系统的稳定性和资源管理的有效性。

下面是一个产生孤儿进程的简单示例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    pid_t child_pid = fork();

    if (child_pid < 0)
    {
        // 错误处理
        perror("fork");
        exit(0);
    }

    if (child_pid > 0)
    {
        // 父进程
        printf("我是父进程:pid=%d\n", getpid());
        exit(0);
    }
    else if (child_pid == 0)
    {
        // 子进程
        sleep(2);
        printf("我是子进程:pid=%d,父进程:ID=%d\n", getpid(), getppid());
    }
    return 0;
}
在 Linux 中，如果一个进程的父进程终止，而它还没有被领养，那么它会被 init 进程（PID=1）领养。这确保了孤儿进程总是有一个父进程。init 进程在系统启动时由内核启动，是所有进程的祖先。

对于没有桌面环境的系统，确实是 init 进程接管孤儿进程。但是，对于有桌面环境的系统，具体情况可能有所不同，因为桌面环境通常有自己的进程管理机制。

僵尸进程

僵尸进程是已经结束执行的进程，但其在进程表中仍然保留着一定的信息，包括进程号（PID）和退出状态等。这样的进程称为僵尸进程。僵尸进程的存在可能导致系统中的进程表被占用，过多的僵尸进程可能影响系统的正常运行。

通常，一个进程在结束时会向其父进程发送一个信号，告诉父进程它已经结束。父进程接收到这个信号后，应该调用 wait 或 waitpid 系统调用来获取子进程的退出状态，释放子进程的资源。如果父进程没有及时处理，子进程就会变成僵尸进程。

运行下面的代码就可以得到一个僵尸进程了：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    pid_t pid;
    // 创建子进程
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pid = fork();
        if (pid == 0)
        {
            break;
        }
    }

    // 父进程
    if (pid > 0)
    {
        // 需要保证父进程一直在运行
        // 一直运行不退出, 并且也做回收, 就会出现僵尸进程
        while (1)
        {
            printf("我是父进程, pid=%d\n", getpid());
            sleep(1);
        }
    }
    else if (pid == 0)
    {
        // 子进程, 执行这句代码之后, 子进程退出了
        printf("我是子进程, pid=%d, 父进程ID: %d\n", getpid(), getppid());
    }
    return 0;
}
这段代码创建了一个父进程和5个子进程。子进程在输出一行信息后立即退出，而父进程则进入一个无限循环，在每次循环中输出一行信息。

在这个场景中，由于父进程一直在运行，而子进程在输出信息后就退出了，子进程就有可能成为僵尸进程。父进程没有调用 wait 或 waitpid 函数来回收子进程，因此子进程退出后，其退出状态信息会一直保留在进程表中，形成僵尸进程。

进程回收

为了避免僵尸进程的产生，一般我们会在父进程中进行子进程的资源回收，回收方式有两种，一种是阻塞方式wait()，一种是非阻塞方式waitpid()。

wait()

这是个阻塞函数，如果没有子进程退出, 函数会一直阻塞等待, 当检测到子进程退出了, 该函数阻塞解除回收子进程资源。这个函数被调用一次, 只能回收一个子进程的资源，如果有多个子进程需要资源回收, 函数需要被调用多次。

函数原型如下：
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *status);
返回值:

成功：返回被回收的子进程的进程ID
失败: -1
没有子进程资源可以回收了, 函数的阻塞会自动解除, 返回-1
回收子进程资源的时候出现了异常
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

// wait 函数回收子进程资源
int main()
{
    pid_t pid;
    // 创建子进程
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pid = fork();
        if (pid == 0)
        {
            break;
        }
    }

    // 父进程
    if (pid > 0)
    {
        // 需要保证父进程一直在运行
        while (1)
        {
            // 回收子进程的资源
            // 子进程由多个, 需要循环回收子进程资源
            pid_t ret = wait(NULL);
            if (ret > 0)
            {
                printf("成功回收了子进程资源, 子进程PID: %d\n", ret);
            }
            else
            {
                printf("回收失败, 或者是已经没有子进程了...\n");
                break;
            }
            printf("我是父进程, pid=%d\n", getpid());
        }
    }
    else if (pid == 0)
    {
        // 子进程, 执行这句代码之后, 子进程退出了
        printf("我是子进程, pid=%d, 父进程ID: %d\n", getpid(), getppid());
    }
    return 0;
}
waitpid

waitpid() 函数可以看做是 wait() 函数的升级版，通过该函数可以控制回收子进程资源的方式是阻塞还是非阻塞，另外还可以通过该函数进行精准打击，可以精确指定回收某个或者某一类或者是全部子进程资源。
#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
pid 参数指定要等待的子进程：

如果 pid > 0，则等待进程ID等于 pid 的子进程。
如果 pid == 0，则等待与调用进程在同一进程组的任一子进程。
如果 pid == -1，则等待任一子进程，与 wait 效果相同。
如果 pid < -1，则等待进程组ID等于 pid 绝对值的任一子进程。

status 是一个指向整型的指针，用于保存子进程的退出状态。

options 是一组位掩码，可以通过按位或运算来组合。常用的选项有：

WNOHANG：以非阻塞方式等待，即使没有子进程退出也立即返回。

返回值:

如果函数是非阻塞的, 并且子进程还在运行, 返回0
成功: 得到子进程的进程ID
失败: -1
没有子进程资源可以回收了, 函数如果是阻塞的, 阻塞会解除, 直接返回-1
回收子进程资源的时候出现了异常
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

// 和wait() 行为一样, 阻塞
int main()
{
    pid_t pid;
    // 创建子进程
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
    {
        pid = fork();
        if (pid == 0)
        {
            break;
        }
    }

    // 父进程
    if (pid > 0)
    {
        // 需要保证父进程一直在运行
        while (1)
        {
            // 回收子进程的资源
            // 子进程由多个, 需要循环回收子进程资源
            int status;
            pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0); // == wait(NULL);
            if (ret > 0)
            {
                printf("成功回收了子进程资源, 子进程PID: %d\n", ret);
                // 判断进程是不是正常退出
                if (WIFEXITED(status))
                {
                    printf("子进程退出时候的状态码: %d\n", WEXITSTATUS(status));
                }
                if (WIFSIGNALED(status))
                {
                    printf("子进程是被这个信号杀死的: %d\n", WTERMSIG(status));
                }
            }
            else
            {
                printf("回收失败, 或者是已经没有子进程了...\n");
                break;
            }
            printf("我是父进程, pid=%d\n", getpid());
        }
    }
    else if (pid == 0)
    {
        // 子进程, 执行这句代码之后, 子进程退出了
        printf("===我是子进程, pid=%d, 父进程ID: %d\n", getpid(), getppid());
    }
    return 0;
}