SIGCHLD 信號

使用wait和waitpid函數可以有效地清理僵尸進程。父進程可以選擇阻塞等待，直到子進程結束；或者采用非阻塞的方式，通過輪詢檢查是否有子進程需要被回收。

然而，無論是選擇阻塞等待還是非阻塞的輪詢方式，父進程與子進程之間都無法實現真正的異步執行，因為父進程仍需“分心”來管理子進程的狀態。

當子進程終止時，會向父進程發送一個SIGCHLD信號，這個信號的默認行為是被忽略。不過，父進程可以通過設置自定義的SIGCHLD信號處理函數來改變這一行為。這樣，父進程就可以專注于自己的任務，無需直接管理子進程的狀態。一旦子進程終止，它會通知父進程，父進程只需要在其信號處理函數中調用wait或waitpid來清理子進程即可。

因此，我們能夠通過自定義處理子進程發出的SIGCHLD信號，在接收到該信號時利用waitpid回收子進程資源。這種方法避免了主動等待子進程的結束，使得父子進程之間能夠更加高效地異步執行。

演示代碼如下：因為需要在函數 handler 中使用子進程 id，因此定義了一個全局變量 id

其實還有一種方法不用傳id也不用定義全局變量：waitpid(-1, nullptr, 0);

-1 表示回收該父進程下的任意一個子進程

當 pid 參數為 -1 時，waitpid 函數會等待任何一個子進程的狀態變化。這意味著它會捕獲任何已經終止的子進程，并回收其資源。這對于處理多個子進程的情況非常有用，因為父進程不需要知道具體是哪個子進程終止了。

#include<iostream>  // 引入輸入輸出流庫
#include<signal.h> // 引入信號處理庫
#include<sys/wait.h> // 引入等待子進程狀態改變的函數庫
#include<sys/types.h> // 引入系統類型定義
#include<unistd.h> // 引入Unix標準函數庫pid_t id; // 定義全局變量id，用于存儲子進程ID// 定義信號處理函數
void handler(int signum)
{waitpid(id, nullptr, 0); // 等待子進程結束，回收子進程資源std::cout << "子進程退出, 我也退出了" << '\n'; // 輸出子進程已退出的信息// 當接收到信號時，調用raise給自己發送9號信號（SIGKILL），強制終止進程raise(9);
}int main()
{id = fork(); // 創建子進程if(id < 0){perror("fork"); // 如果fork失敗，輸出錯誤信息return 1; // 返回錯誤碼1}// 子進程邏輯if(id == 0){std::cout << "I am 子 process" << '\n'; // 子進程輸出標識信息sleep(2); // 子進程暫停2秒exit(0); // 子進程正常退出}// 父進程邏輯else if (id > 0){std::cout << "I am 父 process" << '\n'; // 父進程輸出標識信息signal(SIGCHLD, handler); // 設置SIGCHLD信號的處理函數為handlerint cnt = 0; // 初始化計數器while(1){   sleep(1); // 每秒暫停1秒std::cout << "cnt = " << cnt++ << '\n'; // 輸出當前計數值}}   return 0; // 程序正常結束
}

運行結果如下：

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問題一：如果同時多個子進程退出，是否會全部回收

但是這樣通過信號回收子進程是有一定風險的！

因為信號是通過 pending 位圖保存的，當一個父進程同時有多個子進程同時退出，同時發送 SIGCHLD 信號，則位圖不能記錄信號接收數量，就大概率會遺漏處理某些子進程，導致多個子進程僵尸的情況

驗證如下：

#include <iostream>      // 引入輸入輸出流庫
#include <signal.h>      // 引入信號處理庫
#include <sys/wait.h>    // 引入等待子進程狀態改變的函數庫
#include <sys/types.h>   // 引入系統類型定義
#include <unistd.h>      // 引入Unix標準函數庫// 定義信號處理函數
void handler(int signum)
{pid_t id = waitpid(-1, nullptr, 0); // 等待任意一個子進程結束，回收其資源std::cout << "回收子進程 id : " << id << '\n'; // 輸出回收的子進程ID
}int main()
{pid_t id; // 定義變量id，用于存儲子進程ID// 循環創建15個子進程for (int i = 1; i <= 15; ++i){id = fork(); // 創建子進程if (id < 0){perror("fork"); // 如果fork失敗，輸出錯誤信息return 1; // 返回錯誤碼1}// 子進程邏輯if (id == 0){std::cout << "I am 子 process" << '\n'; // 子進程輸出標識信息sleep(2); // 子進程暫停2秒exit(0); // 子進程正常退出}}// 父進程邏輯if (id > 0){std::cout << "I am 父 process" << '\n'; // 父進程輸出標識信息signal(SIGCHLD, handler); // 設置SIGCHLD信號的處理函數為handler，當子進程結束時會觸發此函數int cnt = 0; // 初始化計數器while (1){sleep(1); // 每秒暫停1秒std::cout << "cnt = " << cnt++ << '\n'; // 輸出當前計數值}}return 0; // 程序正常結束
}

運行結果如下：不少子進程沒有被回收，而是變成了僵尸進程

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解決辦法：循環等待回收子進程，否則退出

演示代碼如下：

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>void handler(int signum)
{while (true){pid_t id = waitpid(-1, nullptr, 0);if(id > 0){std::cout << "回收子進程 id : " << id << '\n';}else if(id < 0){std::cout << "回收完畢, 暫時結束回收\n";break;}}
}int main()
{pid_t id;for (int i = 1; i <= 15; ++i){id = fork();if (id < 0){perror("fork");return 1;}// 子進程if (id == 0){std::cout << "I am 子 process" << '\n';sleep(2);exit(0);}}// 父進程if (id > 0){std::cout << "I am 父 process" << '\n';signal(SIGCHLD, handler);int cnt = 0;while (1){sleep(1);std::cout << "cnt = " << cnt++ << '\n';}}return 0;
}

運行結果如下：自己可以去查詢，可以確定當前沒有僵尸子進程

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問題二：如果有子進程不退出，問題一中的循環wait，是否會退出循環

演示代碼：

// 創建一個不退出的子進程
id = fork();
if (id == 0)
{std::cout << "I am 不退出的子進程" << '\n';sleep(6);
}

結果就是 循環沒退出，因為 waitpid 是阻塞式等待，會等待子進程退出，因為該子進程不退出則循環不退出一直阻塞等待

因此需要換成非阻塞式等待，同時當 waitpid 的返回值為 0，說明當前沒有退出的子進程，則此時可以主動退出循環

pid_t id = waitpid(-1, nullptr, WNOHANG);

#include <iostream>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>void handler(int signum)
{while (true){pid_t id = waitpid(-1, nullptr, WNOHANG);if (id > 0){std::cout << "回收子進程 id : " << id << '\n';}else if(id == 0) // 表示沒有子進程退出了(注意是沒有退出的子進程了, 不是沒有子進程){std::cout << "暫時沒有子進程退出\n";break;}else if (id < 0) // 表示沒有子進程了{std::cout << "waitpid error\n";break;}}
}int main()
{pid_t id;for (int i = 1; i <= 15; ++i){id = fork();if (id < 0){perror("fork");return 1;}// 子進程if (id == 0){std::cout << "I am 子 process" << '\n';sleep(2);exit(0);}}// 創建一個不退出的子進程id = fork();if (id == 0){std::cout << "I am 不退出的子進程" << '\n';sleep(6); // 時間長點, 模擬短時間內不退出}// 父進程if (id > 0){std::cout << "I am 父 process" << '\n';signal(SIGCHLD, handler);int cnt = 0;while (1){sleep(1);std::cout << "cnt = " << cnt++ << '\n';}}return 0;
}

運行結果如下

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waitpid 系統調用的工作原理如下：

• 阻塞等待：當 waitpid 被調用時，如果當前沒有符合條件的已退出子進程，內核會讓父進程進入阻塞狀態。這意味著父進程會被掛起，不再占用CPU時間，直到有子進程的狀態發生變化（通常是退出）。
• 非阻塞等待：如果 waitpid 調用時傳遞了 WNOHANG 選項，內核會立即返回，即使沒有子進程退出。在這種情況下，waitpid 不會阻塞父進程。
• 狀態變化通知：當一個子進程退出時，內核會檢查該子進程的父進程是否正在等待子進程的狀態變化。如果是，內核會喚醒父進程，使其從 waitpid 調用中返回，并傳遞子進程的退出狀態。
• 資源回收：父進程通過 waitpid 獲得子進程的退出狀態后，內核會釋放子進程占用的資源，防止子進程變成僵尸進程。
  
  

意思是：父進程使用waitpid 系統調用時，若為阻塞等待，則OS將該父進程掛起（即阻塞），當目標子進程退出時，若該父進程正處于等待子進程退出的狀態，則OS會傳遞子進程退出狀態信息并使父進程退出阻塞狀態（即使其從 waitpid 調用中返回）

子進程退出，OS是如何知道的，是因為OS需要輪詢子進程的狀態嗎

當然不是OS輪詢，前面講解過 OS 就是一個躺在中斷向量表上的一個代碼塊，OS的運行基本靠中斷，因此進程退出也是通過中斷通知OS，使其執行相應的后續”善后“工作

意思是子進程退出時，會向OS發送軟件中斷，此時進入內核態，執行該中斷對應的中斷處理例程：即更新子進程的 PCB，將子進程的狀態標記為“已退出”（Zombie 狀態），生成一個 SIGCHLD 信號并發送給父進程

子進程退出的詳細過程

1. 子進程調用 exit 或 exit_group 系統調用：
   • 子進程在調用 exit 或 exit_group 系統調用時，會進入內核態。
     • 不是子進程退出子進程發送的軟件中斷，而是子進程在調用 exit 或 exit_group 系統調用觸發的軟件中斷
2. 進入內核態：
   • 當子進程調用 exit 或 exit_group 時，控制權轉移到內核，進入內核態。
   • 內核會執行相應的中斷處理例程（中斷服務程序）。
3. 中斷處理例程：
   • 內核的中斷處理例程會執行以下操作：
     • 更新子進程的 PCB：內核會更新子進程的進程控制塊（PCB），將子進程的狀態標記為“已退出”（Zombie 狀態）。
     • 生成 SIGCHLD 信號：內核會生成一個 SIGCHLD 信號并發送給父進程。
4. 父進程接收 SIGCHLD 信號：
   • 父進程接收到 SIGCHLD 信號后，會調用預先注冊的信號處理函數（如 handler）默認為忽略

主動忽略子進程的 SIGCHLD

Linux下，將SIGCHLD的處理動作置為SIG IGN,這樣fork出來的子進程在終止時會自動清理掉

由于UNIX 的歷史原因,要想不產?僵?進程還有另外?種辦法:?進程調 ?sigaction將
SIGCHLD的處理動作置為SIG_IGN,這樣fork出來的?進程在終?時會?動清理掉,不 會產?僵?進程,

也不會通知?進程。系統默認的忽略動作和???sigaction函數?定義的忽略 通常是沒有區別的,但這
是?個特例。此?法對于Linux可?,但不保證在其它UNIX系統上都可 ?。

signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

底層原理：

父進程未調用 waitpid 的情況

1. 子進程退出：
   • 子進程調用 exit 或 exit_group 系統調用，進入內核態。
   • 內核更新子進程的 PCB，將其狀態標記為“已退出”（Zombie 狀態）。
   • 內核生成 SIGCHLD 信號并發送給父進程。
2. 父進程處理 SIGCHLD 信號：
   • 如果父進程注冊了 SIGCHLD 信號處理函數（如 handler），內核會調用該處理函數。
   • 在信號處理函數中，父進程可以調用 waitpid 來獲取子進程的退出狀態并釋放資源。
3. 父進程忽略 SIGCHLD 信號：
   • 如果父進程將 SIGCHLD 信號的處理動作設置為 SIG_IGN，內核會自動回收子進程的資源，子進程不會變成僵尸進程。
   • 這意味著父進程不需要顯式調用 wait 或 waitpid 來回收子進程的資源。

問題：父進程忽略了該信號，內核如何知道父進程忽略了，然后進行的自動回收子進程的資源

1. 內核記錄信號處理動作：

   • 內核會記錄每個進程的信號處理動作。當父進程調用 signal 或 sigaction 設置 SIGCHLD 信號的處理動作時，內核會更新父進程的信號處理表。

   • 內核會記錄 SIGCHLD 信號的處理動作為 SIG_IGN。

子進程調用退出

1. 內核生成 SIGCHLD 信號：
   • 內核生成 SIGCHLD 信號并準備發送給父進程。
   • 內核會檢查父進程的信號處理表，查看 SIGCHLD 信號的處理動作。
2. 檢查信號處理動作：
   • 如果父進程的信號處理動作是 SIG_IGN，內核會知道父進程忽略了 SIGCHLD 信號。
   • 內核會自動回收子進程的資源，子進程不會變成僵尸進程。

問題：系統對該信號的默認處理不就是忽略嗎，為什么我們還要自己主動忽略

系統默認的忽略動作和???sigaction函數?定義的忽略 通常是沒有區別的,但這
是?個特例。此?法對于Linux可?,但不保證在其它UNIX系統上都可 ?。

其實，因為位圖本身一次只能記錄一個進程退出信號，因此即使循環等待等操作，還是會有極小概率處理不了某些退出子進程