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殭屍程序與SIGCHLD訊號

阿新 • • 發佈：2020-08-09


什麼是殭屍程序？

首先核心會釋放終止程序(呼叫了exit系統呼叫)所使用的所有儲存區，關閉所有開啟的檔案等，但核心為每一個終止子程序儲存了一定量的資訊。這些資訊至少包括程序ID，程序的終止狀態，以及該程序使用的CPU時間，所以當終止子程序的父程序呼叫wait或waitpid時就可以得到這些資訊。

而殭屍程序就是指：一個程序執行了exit系統呼叫退出，而其父程序並沒有為它收屍(呼叫wait或waitpid來獲得它的結束狀態)的程序。

任何一個子程序(init除外)在exit後並非馬上就消失，而是留下一個稱外殭屍程序的資料結構，等待父程序處理。這是每個子程序都必需經歷的階段。另外子程序退出的時候會向其父程序傳送一個SIGCHLD訊號。

殭屍程序的目的？

設定僵死狀態的目的是維護子程序的資訊，以便父程序在以後某個時候獲取。這些資訊至少包括程序ID，程序的終止狀態，以及該程序使用的CPU時間，所以當終止子程序的父程序呼叫wait或waitpid時就可以得到這些資訊。如果一個程序終止，而該程序有子程序處於殭屍狀態，那麼它的所有殭屍子程序的父程序ID將被重置為1（init程序）。繼承這些子程序的init程序將清理它們（也就是說init程序將wait它們，從而去除它們的殭屍狀態）。


如何避免殭屍程序？

  1、通過signal(SIGCHLD, SIG_IGN)通知核心對子程序的結束不關心，由核心回收。如果不想讓父程序掛起，可以在父程序中加入一條語句：signal(SIGCHLD,SIG_IGN);表示父程序忽略SIGCHLD訊號，該訊號是子程序退出的時候向父程序傳送的。
    2、父程序呼叫wait/waitpid等函式等待子程序結束，如果尚無子程序退出wait會導致父程序阻塞。waitpid可以通過傳遞WNOHANG使父程序不阻塞立即返回。
    3、如果父程序很忙可以用signal註冊訊號處理函式，在訊號處理函式呼叫wait/waitpid等待子程序退出。
    4、通過兩次呼叫fork。父程序首先呼叫fork建立一個子程序然後waitpid等待子程序退出，子程序再fork一個孫程序後退出。這樣子程序退出後會被父程序等待回收，而對於孫子程序其父程序已經退出所以孫程序成為一個孤兒程序，孤兒程序由init程序接管，孫程序結束後，init會等待回收。

第一種方法忽略SIGCHLD訊號，這常用於併發伺服器的效能的一個技巧因為併發伺服器常常fork很多子程序，子程序終結之後需要伺服器程序去wait清理資源。如果將此訊號的處理方式設為忽略，可讓核心把殭屍子程序轉交給init程序去處理，省去了大量殭屍程序佔用系統資源。


　　如果伺服器端因為客戶端的關閉，迴圈開啟的處理子程序會成為殭屍程序。當有5個子程序退出，就會有5個SIGCHLD 訊號發給父程序。當第一個訊號過來，父程序處於sighandler過程，在此過程中，若有其他訊號過來，訊號（不可靠訊號）會丟失，只排隊一個。所以最終只會處理兩個SIGCHLD訊號，剩3個殭屍程序；若是5個一起來，可能只處理第一個（剩4個殭屍程序）。用while解決

/*
服務端每次會fork一個子程序處理客戶單請求，每個客戶端斷開連線，會有一個子程序成為殭屍程序（父程序不處理的話）
*/
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include
 
<sys/socket.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<signal.h>
#include<sys/wait.h>
#define ERR_EXIT(m)\
    do\
    {\
        perror(m);\
        exit(EXIT_FAILURE);\
    }while(0)
ssize_t readn(int fd,void *buf,size_t count)
{
    size_t nleft=count;
    ssize_t nread;
    char *bufp=(char*)buf;
    while(nleft>0)
    {
        if((nread=read(fd,bufp,nleft))<0)
        {
            if(errno==EINTR)
                continue;
            else
                return -1;
        }
        else if(nread==0)
            return (count-nleft);
        bufp+=nread;
        nleft-=nread;
    }
    return count;
}
ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft=count;
    ssize_t nwritten;
    char *bufp=(char*)buf;
    while(nleft>0)
    {
        if((nwritten=write(fd,bufp,nleft))<=0)
        {
            if(errno==EINTR)
                continue;
            return -1;
        }else if(nwritten==0)
            continue;
        bufp+=nwritten;
        nleft-=nwritten;
    }
    return count;

}
ssize_t recv_peek(int sockfd,void *buf,size_t len)
{
    while(1)
    {
        int ret=recv(sockfd,buf,len,MSG_PEEK);//從sockfd讀取內容到buf,但不去清空sockfd,偷窺
        if(ret==-1&&errno==EINTR)
            continue;
        return ret;
    }
}
//偷窺方案實現readline避免一次讀取一個字元
ssize_t readline(int sockfd,void * buf,size_t maxline)
{
    int ret;
    int nread;
    size_t nleft=maxline;
    char *bufp=(char*)buf;
    while(1)
    {
        ret=recv_peek(sockfd,bufp,nleft);//不清除sockfd,只是窺看
        if(ret<0)
            return ret;
        else if(ret==0)
            return ret;
        nread=ret;
        int i;
        for(i=0;i<nread;i++)
        {
            if(bufp[i]=='\n')
            {
                ret=readn(sockfd,bufp,i+1);//讀出sockfd中的一行並且清空
                if(ret!=i+1)
                    exit(EXIT_FAILURE);
                return ret;
            }
        }
        if(nread>nleft)
            exit(EXIT_FAILURE);
        nleft-=nread;
        ret=readn(sockfd,bufp,nread);
        if(ret!=nread)
            exit(EXIT_FAILURE);
        bufp+=nread;//移動指標繼續窺看
    }
    return -1;
}
void echo_srv(int conn)
{
        int ret;
        char recvbuf[1024];
        while(1)
        {
            memset(&recvbuf,0,sizeof(recvbuf));
            //使用readn之後客戶端傳送的資料不足1024會阻塞
            //在客戶端程式中確定訊息的邊界，傳送定長包
            ret=readline(conn,recvbuf,1024);                                                               
            //客戶端關閉
            if(ret==-1)
                ERR_EXIT("readline");            
            else if(ret==0)
            {
                printf("client close\n");
                break;//不用繼續迴圈等待客戶端資料
            }
            fputs(recvbuf,stdout);
            writen(conn,recvbuf,strlen(recvbuf));
        }
}
void handle_sigchld(int sig)
{
    //法一 ：只能等待第一個，不能等待所有的子程序，通常剩餘3個殭屍程序。剩餘3個說明不可靠訊號排隊一個
    //wait(NULL);
    //當沒有子程序退出，返回-1
    while(waitpid(-1,NULL, WNOHANG)>0)
        ;//pid==-1等待所有子程序結束。等到一個子程序返回值大於0
}
int main(void)
{    
    //方法一：
    //signal(SIGCHLD,SIG_IGN);//父程序忽略子程序終止訊號，解決殭屍程序
    /*方法二 */
    signal(SIGCHLD,handle_sigchld);
    int listenfd;
    if((listenfd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP))<0)
        ERR_EXIT("socket error");
    //if((listenfd=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,0))<0)
    

    //本地協議地址賦給一個套接字
    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family=AF_INET;
    servaddr.sin_port=htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);//表示本機地址

    //開啟地址重複使用,關閉伺服器再開啟不用等待TIME_WAIT
    int on=1;
    if(setsockopt(listenfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&on,sizeof(on))<0)
        ERR_EXIT("setsockopt error");
    //繫結本地套接字
    if(bind(listenfd,(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr))<0)
        ERR_EXIT("bind error");
    if(listen(listenfd,SOMAXCONN)<0)//設定監聽套接字(被動套接字)
        ERR_EXIT("listen error");
    
    struct sockaddr_in peeraddr;//對方套接字地址
    socklen_t peerlen=sizeof(peeraddr);
    int conn;//已連線套接字(主動套接字)
    pid_t pid;
    while(1){
        if((conn=accept(listenfd,(struct sockaddr*)&peeraddr,&peerlen))<0)
            ERR_EXIT("accept error");
        //連線好之後就構成連線，埠是客戶端的。peeraddr是對端
        printf("ip=%s port=%d\n",inet_ntoa(peeraddr.sin_addr),ntohs(peeraddr.sin_port));
        pid=fork();
        if(pid==-1)
            ERR_EXIT("fork");
        if(pid==0){    
                close(listenfd);
                echo_srv(conn);
                //某個客戶端關閉，結束該子程序,否則子程序也去接受連線
                //雖然結束了exit退出，但是核心還保留了其資訊，父程序並未為其收屍。
                exit(EXIT_SUCCESS);
        }else     close(conn);
    }
    return 0;
}

//客戶端：建立5個連線請求服務端，再關閉。

//五個客戶端去連線併發伺服器 
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<netinet/in.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<signal.h>
#define ERR_EXIT(m)\
    do\
    {\
        perror(m);\
        exit(EXIT_FAILURE);\
    }while(0)
ssize_t readn(int fd,void *buf,size_t count)
{
    size_t nleft=count;
    ssize_t nread;
    char *bufp=(char*)buf;
    while(nleft>0)
    {
        if((nread=read(fd,bufp,nleft))<0)
        {
            if(errno==EINTR)
                continue;
            else
                return -1;
        }
        else if(nread==0)
            return (count-nleft);
        bufp+=nread;
        nleft-=nread;
    }
    return count;
}
ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft=count;
    ssize_t nwritten;
    char *bufp=(char*)buf;
    while(nleft>0)
    {
        if((nwritten=write(fd,bufp,nleft))<=0)
        {
            if(errno==EINTR)
                continue;
            return -1;
        }else if(nwritten==0)
            continue;
        bufp+=nwritten;
        nleft-=nwritten;
    }
    return count;

}
ssize_t recv_peek(int sockfd,void *buf,size_t len)
{
    while(1)
    {
        int ret=recv(sockfd,buf,len,MSG_PEEK);//從sockfd讀取內容到buf,但不去清空sockfd,偷窺
        if(ret==-1&&errno==EINTR)
            continue;
        return ret;
    }
}
//偷窺方案實現readline避免一次讀取一個字元
ssize_t readline(int sockfd,void * buf,size_t maxline)
{
    int ret;
    int nread;
    size_t nleft=maxline;
    char *bufp=(char*)buf;
    while(1)
    {
        ret=recv_peek(sockfd,bufp,nleft);//不清除sockfd,只是窺看
        if(ret<0)
            return ret;
        else if(ret==0)
            return ret;
        nread=ret;
        int i;
        for(i=0;i<nread;i++)
        {
            if(bufp[i]=='\n')
            {
                ret=readn(sockfd,bufp,i+1);//讀出sockfd中的一行並且清空
                if(ret!=i+1)
                    exit(EXIT_FAILURE);
                return ret;
            }
        }
        if(nread>nleft)
            exit(EXIT_FAILURE);
        nleft-=nread;
        ret=readn(sockfd,bufp,nread);
        if(ret!=nread)
            exit(EXIT_FAILURE);
        bufp+=nread;//移動指標繼續窺看
    }
    return -1;
}
void echo_cli(int sock)
{
    char sendbuf[1024]={0};
    char recvbuf[1024]={0};    
    while(fgets(sendbuf,sizeof(sendbuf),stdin)!=NULL)//預設有換行符
    {
        writen(sock,sendbuf,strlen(sendbuf));
        int ret=readline(sock,recvbuf,1024);
        if(ret==-1)
            ERR_EXIT("readline");
        else if(ret==0)
        {
            printf("service closed\n");
            break;
        }
        fputs(recvbuf,stdout);
        memset(sendbuf,0,sizeof(sendbuf));
        memset(recvbuf,0,sizeof(recvbuf));
    }
    close(sock);
}
int main(void)
{
    int sock[5];//客戶端建立5個套接字
    int i=0;
    for(i=0;i<5;i++)
    {
        if((sock[i]=socket(PF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP))<0)
            ERR_EXIT("socket error");
    
        struct sockaddr_in servaddr;//本地協議地址賦給一個套接字
        memset(&servaddr,0,sizeof(servaddr));
        servaddr.sin_family=AF_INET;
        servaddr.sin_port=htons(5188);
    
        servaddr.sin_addr.s_addr=inet_addr("127.0.0.1");//伺服器段地址
        //inet_aton("127.0.0.1",&servaddr.sin_addr);
    
        if(connect(sock[i],(struct sockaddr*)&servaddr,sizeof(servaddr))<0)
            ERR_EXIT("connect");

        //利用getsockname獲取客戶端本身地址和埠,即為對方accept中的對方套介面
        struct sockaddr_in localaddr;
        socklen_t addrlen=sizeof(localaddr);
        if(getsockname(sock[i],(struct sockaddr *)&localaddr,&addrlen)<0)
            ERR_EXIT("getsockname error");
        printf("local IP=%s, local port=%d\n",inet_ntoa(localaddr.sin_addr),ntohs(localaddr.sin_port));    
        //使用getpeername獲取對方地址
    
        
    }
    echo_cli(sock[0]);//選擇一個與伺服器通訊
    return 0;
}

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