从一道面试题来学习前台进程和后台进程、孤儿进程和僵尸进程

1、面试题介绍

以前面试，面试官问了一个问题，大意是：

我们在终端中，通过执行 python main.py 命令，会启动一台前台进程直到程序结束。现在我还是想通过执行 python main.py ，启动一个后台进程，让后台进程运行我们的业务逻辑。这个时候应该怎么做呢？

回答上面这道题，需要先了解什么是前台进程和后台进程，什么是孤儿进程和僵尸进程？接下来，我们先一起看看前台进程和后台进程，以及孤儿进程和僵尸进程。最后再通过编写代码来完成面试题的需求。

2、前台进程和后台进程

2.1 什么是前台进程

在 Linux 中，前台进程是指当前正在运行的进程，它与用户交互并占用终端。当用户在终端中输入命令时，该命令所启动的进程就是前台进程。

前台进程会占用终端，直到它执行完毕或者被中断（例如按下 Ctrl+C）。在前台进程运行期间，用户可以通过键盘输入命令或者发送信号来与进程交互。

2.2 什么是后台进程

Linux 后台进程是指在终端中运行的进程，但是不会占用终端的输入输出，而是在后台运行。

在 Linux 中，可以通过在命令后面加上 & 符号来将进程放到后台运行。例如，运行命令 command & 就可以将 command 进程放到后台运行。

后台进程可以在终端关闭后继续运行，也可以同时运行多个后台进程。可以使用 jobs 命令查看当前运行的后台进程，使用 fg 命令将后台进程切换到前台运行，使用 bg 命令将前台进程切换到后台运行。

需要注意的是，后台进程在另外的终端是查看不到任何信息的，如果需要查看进程的输出信息，一般是将输出重定向到文件中，然后使用 tail 命令实时查看输出。

2.3 前台进程、后台进程如何切换

在 Linux 中，可以使用以下命令将前台进程切换到后台进程：

使用 Ctrl + Z 将当前正在运行的前台进程挂起。
使用 bg 命令将挂起的进程切换到后台运行。

使用 command & ，这样的方式是一开始就将 command 进程放到后台运行。

我们通过下面这个例子，来感受下前台进程和后台进程是如何切换的。

1、编写 test.py文件。

import os
import time


def main():
    a = 1
    while True:
        time.sleep(1)
        a += 1
        print("a---->", a)
        if a > 30:
            break


if __name__ == '__main__':
    main()

2、通过 python test.py执行程序。然后使用ctrl + Z 是程序暂停到后台。注意，这个时候程序不会再往下执行了。

如果想程序继续往下执行，使用 bg 命令将其切换到后台运行。
还有一种方式是：在最开始执行命令的时候，加上 &。即python main.py &。

python test.py
a----> 2
a----> 3
^Z
[1]  + 1761 suspended  python test.py
sample_test [master●] %

3、通过jobs命令查询后台进程。

sample_test [master●] % jobs          
[1]  + suspended  python test.py
sample_test [master●] %

4、使用fg命令将指定的后台进程切换到前台运行。（fg %N，这里的N是 jobs返回的序号，并不是进程的PID）

    
sample_test [master●] % fg %1     
[1]  + 1761 continued  python test.py
a----> 4
a----> 5
a----> 6
a----> 7

3、孤儿进程和僵尸进程

通过上面的讲解，我们知道了什么是后台进程和前台进程。接下来，我们再讲讲什么是孤儿进程和僵尸进程。

3.1 什么是孤儿进程

孤儿进程是指父进程已经结束或者异常退出，而子进程还在运行的情况下，子进程就会变成孤儿进程。孤儿进程会被操作系统的init进程接管，init进程会成为孤儿进程的新的父进程，并负责回收孤儿进程的资源，避免资源泄露和浪费。

因此一般来说，孤儿进程并不会有什么危害。

我们来看一个关于孤儿进程的例子：

在main函数中，创建子进程，然后让父进程睡眠1s，让子进程先运行打印出其进程id(pid)以及父进程id(ppid)；随后子进程睡眠3s（此时会调度到父进程运行直至结束），目的是让父进程先于子进程结束，让子进程有个孤儿的状态；最后子进程再打印出其进程id(pid)以及父进程id(ppid)；观察两次打印其父进程id(ppid)的区别。

import os
import time


def main():
    pid = os.fork()  # 创建子进程
    if pid < 0:
        # 创建失败
        print("fork failed!")
        exit(1)
    elif pid == 0:  # 子进程
        print("I am the child process.")
        print("pid:%d, ppid:%d " % (os.getpid(), os.getppid()))
        # 子进程睡眠3s，保证父进程先退出，此后子进程成为孤儿进程
        time.sleep(3)
        # 注意查看孤儿进程的父进程变化
        print("after sleep, pid:%d, ppid:%d" % (os.getpid(), os.getppid()))
        assert os.getppid() == 1
        print("child process is exited.")
    else:
        print("I am father process.")
        # 为保证子进程先运行，让父进程睡眠1s
        time.sleep(1)
        print("father process is exited.")




if __name__ == '__main__':
    main()

执行结果：

运行结果表明：当父进程结束后，子进程成为了孤儿进程。因为它的父进程id（ppid)变成了1，即init进程成为该子进程的父进程了。

3.2 什么是僵尸进程

Linux 僵尸进程是指已经结束执行的进程，但是其父进程还没有对其进行处理，导致该进程的进程描述符仍然存在于系统中，这种进程被称为僵尸进程。

僵尸进程不会占用系统资源，但是如果大量的僵尸进程存在，会占用系统的进程描述符资源，导致系统进程描述符资源耗尽，从而导致系统崩溃。

为了避免僵尸进程的出现，父进程需要及时对其进行处理，可以使用 wait() 或 waitpid() 等系统调用来等待子进程结束并回收其资源。另外，也可以使用信号处理机制，在父进程中注册 SIGCHLD 信号处理函数来处理子进程结束的信号。

关于僵尸进程的例子：

在main函数中，创建子进程，然后让父进程睡眠30s，让子进程先终止（注意和孤儿进程例子的区别）；这里子进程结束后父进程没有调用wait/waitpid函数获取其状态，用ps查看进程状态可以看出子进程为僵尸状态。

import os
import time


def main():
    pid = os.fork()  # 创建子进程
    if pid < 0:
        # 创建失败
        print("fork failed!")
        exit(1)
    elif pid == 0:  # 子进程
        print("I am the child process.I am exited.")
        exit(0)
    else:
        print("I am father process.")
        #  父进程睡眠30s等待子进程退出，且没有调用wait/waitpid获取其状态
        #  子进程会成为僵尸进程
        time.sleep(30)
        print("father process is exited.")




if __name__ == '__main__':
    main()

开一个终端，在终端是运行test.py。

在子进程结束，父进程睡眠（还没退出）的时候，再开一个终端用PS查看进程状态。

注意：

任何一个子进程(init除外)在exit()之后，其实它并没有真正的被销毁，而是留下一个称为僵尸进程(Zombie)的数据结构，等待父进程处理。这是每个子进程在结束时都要经过的阶段。
如果子进程在exit()之后，父进程没有来得及处理，这时用ps命令就能看到子进程的状态是“Z”。如果父进程能及时处理，可能用ps命令就来不及看到子进程的僵尸状态，但这并不等于子进程不经过僵尸状态。
如果父进程在子进程结束之前退出，则子进程将由init接管。init将会以父进程的身份对僵尸状态的子进程进行处理。
如果父进程是一个循环，不会结束，那么子进程就会一直保持僵尸状态，这就是系统中有时候会有很多僵尸进程的原因。

3.3 总结

孤儿进程：父进程已亡，子进程成为孤儿，被init进程收养，由init进程对它们完成状态收集工作，因此一般没有坏的影响。
僵尸进程：子进程已亡，父进程没给子进程收尸，子进程成为僵尸进程，占用系统资源。

4、面试题解决方式

现在再回过头来看面试题的要求：

在终端中执行 python main.py命令，启动后台进程来进行业务处理。

那么我们可以利用孤儿进程的特性，完成上面的需求。

1、通过 os.fork()创建子进程。

2、创建完成后，让父进程退出，子进程继续运行。

简单案例：

import os
import time


def main():
    pid = os.fork()  # 创建子进程
    a = 0
    if pid < 0:
        # 创建失败
        print("fork failed!")
        exit(1)
    elif pid == 0:  # 子进程
        for i in range(10):
            time.sleep(1)
            a += i
        print("child process calculate result: %d" % a)
    else:
        print("I am father process.")
        exit(0)


if __name__ == '__main__':
    main()

sample_test [master●] % python test.py
I am father process.


10秒钟过后
sample_test [master●] % child process calculate result: 45