管道、Fork 和僵尸进程

# CS 61 2017 来源：https://cs61.seas.harvard.edu/wiki/2017/Shell3/ ## 管道、分叉与僵尸进程 ## 管道历史 ### 管道的概念 Doug Mcllroy 在管道实现之前很久就描述了管道的概念。 ``` 总结——最重要的是什么。 把我最关心的要点浓缩一下： 1. 我们应该有某种方式来耦合程序，就像花园软管一样——当需要以另一种方式处理数据时，可以拧上另一节管子。 这也是一种 IO 的方式。 2. 我们的加载器应该能够执行链接加载和受控建立。 3. 我们的文件归档方案应该允许相当通用的索引、责任、世代、数据路径切换。 4. 应该可以为调试目的获取私有系统组件（所有例程都是系统组件）。 M. D. McIlroy 1964年10月11日 ``` ### 文学编程 Don Knuth 是提出“计算机科学”这个术语的人。他撰写了《计算机程序设计艺术》，并创造了 `Latex` 语言。Knuth 非常喜欢写作和编程，以至于他发展了“文学编程”。Knuth 创建了一种编程风格，允许你在写代码的同时编写关于程序的文本。其思想是同时编写散文和程序。然而，这个想法并没有流行起来，因为完成像文本解析这样简单任务的开销很大。从系统编程的角度使用管道，Mcllroy 对 Knuth 的工作做出了回应。他仅用 6 行 shell 代码（使用管道）就完成了相同的文本解析任务。Knuth 从算法角度处理问题，而 Mcllroy 从系统角度处理问题，将中间输出链接在一起以得到答案。 管道很重要！ Mcllroy (http://doc.cat-v.org/unix/pipes/) Knuth (http://www.literateprogramming.com/knuthweb.pdf) ## Less 程序 `seq` 程序接受一个数字作为参数，并从第一个数字开始打印连续的数字。如果提供了第二个参数，则打印到第二个数字为止。否则，数字会无限地继续打印。 ``` $ seq 2 5 2 3 4 5 ``` 如果我们将 `seq` 程序的输出通过管道传给 less，屏幕上显示的输出会被截断，因为通过管道传给 less 只显示足以填满屏幕的输出。`seq` 程序看起来像是暂停了。但它还在运行吗？ ``` $ seq 2 100000000 | less 2 3 4 5 6 :█ ``` 如果我们将 `seq` 通过管道传给 `less`，并使用 `ps aux` 查看正在运行的进程列表，可以看到 `seq` 程序并未运行。使用 strace 进一步检查发生了什么，发现在一系列 `write` 命令之后，有一个 `SIGPIPE` 信号。当你向一个没有读取端的管道写入时，就会发生 `SIGPIPE`。`SIGPIPE` 的默认操作是杀死该程序。当一个程序的输出不再需要时，管道会自动杀死该程序。这就解释了为什么当 `seq` 被通过管道传给 less 时，它会被杀死。 ## 使用管道实现 Waitpid ```c waitpid(p, &status, 0); // 阻塞直到 p 退出或有信号到来 ``` 假设我们不在乎 `&status`，我们如何使用管道创建一个阻塞调用，当进程死亡时解除阻塞？当子进程返回时，我们希望 `read` 调用返回 0，因为所有子进程都已退出，管道的所有写入端都将关闭。 ```c int main() { int pipefd[2]; pipe(pipefd); pid_t p = fork(); if (p == 0) { exec(); } close(pipefd[1]); // 所有写入端必须关闭 char buf; read(pipefd[0], &buf, 1); // read 系统调用将阻塞直到子进程退出 // 当子进程退出时，此调用将返回 0 close(pipefd[0]); // 管道卫生 } ``` ## 父进程、子进程和僵尸进程 ### 进程层次结构 每个进程都有一个单一的父进程。进程层次结构（或进程树）的根是一个称为 `init` 的进程，它的 pid 为 1。这是唯一不能被杀死的进程。`waitpid` 用于获取进程的退出状态。进程的退出状态存储在进程结构中，直到父进程需要该状态为止。`waitpid` 会收集状态并回收进程结构。这意味着进程结构可以被另一个进程重用。 ### ManyFork `manyfork` 程序尝试执行 fork 指令 10000 次。然而，如果我们运行 `./manyfork`，只创建了大约 3400 个进程。运行 `sudo ./manyfork`（赋予程序更多权限）会创建约 6890 个进程。操作系统正在保护用户免受失控程序的影响。如果我们查看 `manyfork` 程序创建的进程，会发现其中大部分是失效的。 ### 僵尸进程 `manyfork` 程序没有使用 `waitpid` 等待其子进程。这会产生所谓的**僵尸进程**。僵尸进程是已经终止但尚未被父进程等待的进程。`ps` 命令可以识别这些僵尸进程。下面是运行 `manyfork` 程序后 `ps` 的输出示例。 ``` user 78623 0.0 0.0 0 0 pts/0 Z+ 15:44 0:00 [manyfork] user 78624 0.0 0.0 0 0 pts/0 Z+ 15:44 0:00 [manyfork] user 78625 0.0 0.0 0 0 pts/0 Z+ 15:44 0:00 [manyfork] ``` `Z+` 列告诉我们这些进程是僵尸进程。这些僵尸进程是资源，即进程 ID。当一个子进程比其父进程存活得更久时，该子进程的父进程会被重新分配给 pid 为 1 的 `init` 进程。`init` 进程通过这种方式收集孤儿子进程。`init` 的工作是调用 waitpid 来收集孤儿子进程的资源。