03｜理解进程（2）：为什么我的容器里有这么多僵尸进程？

2023-01-09 21:49:58

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一、问题再现

例子：https://github.com/chengyli/training/tree/master/init_proc/zombie_proc

目的：在容器中弄出来很多个僵尸进程（Zombie Process）。


# docker run --name zombie-proc -d registry/zombie-proc:v1
02dec161a9e8b18922bd3599b922dbd087a2ad60c9b34afccde7c91a463bde8a
# docker exec -it zombie-proc bash
# ps aux
USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.0   4324  1436 ?        Ss   01:23   0:00 /app-test 1000
root         6  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>
root         7  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>
root         8  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>
root         9  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>
root        10  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>

…

root       999  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>
root      1000  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>
root      1001  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>
root      1002  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>
root      1003  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>
root      1004  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>
root      1005  0.0  0.0      0     0 ?        Z    01:23   0:00 [app-test] <defunct>
root      1023  0.0  0.0  12020  3392 pts/0    Ss   01:39   0:00 bash

# top
top - 02:18:57 up 31 days, 15:17,  0 users,  load average: 0.00, 0.01, 0.00
Tasks: 1003 total,   1 running,   2 sleeping,   0 stopped, 1000 zombie
…

二、知识详解

2.1、Linux的进程状态

Linux 内核中都是用 task_struct{} 这个结构来表示，进程和线程，其实就是任务（task），Linux 里基本的调度单位。

进程“活着”时只有两个状态：
运行态（TASK_RUNNING）
睡眠态（TASK_INTERRUPTIBLE，TASK_UNINTERRUPTIBLE）

运行态：
运行中（获得了CPU资源）；
进程在run queue 队列里随时可以运行

ps 查看进程 R stat 就表示处于运行态

睡眠态：
进程需要等待某个资源而进入的状态，要等待的资源可以是一个信号量（Semaphore）或者磁盘I/O，这个状态的进程会被放入到 wait queue队列里。

睡眠态分为两个子状态：
1、可以被打断的（TASK_INTERRUPTIBLE）, ps
查看显示 S stat
2、不可被打断的（TASK_UNINTERRUPTIBLE），ps 查看显示 D stat

进程在调用 do_exit() 退出的时候，还有两个状态：
1、EXIT_DEAD 进程真正结束退出的一瞬间的状态
2、EXIT_ZOMBIE ，这是进程在 EXIT_DEAD 前的一个状态，今天讨论的僵尸进程就是处于这个状态中。

2.2、限制容器中进程数目

Linux 进程总数是有限制的，超过最大值，系统就无法创建新的进程，例如SSH 登录也不行了。

如下可以文件位置，可以查看进程总数最大值

[root@jyzx-tower2 ~]# cat /proc/sys/kernel/pid_max 
32768
[root@jyzx-tower2 ~]#

Linux 内核在初始化系统的时候，会根据CPU的数目来设置 pid_max的值。
CPU 数目小于32，pid_max 就会被设置为 32768
CPU数目大于32，pid_max 被设置为 N*1024 (N 就是CPU 数目)

对于Linux 系统而言，容器就是一组进程的集合。容器中的应用创建过多的进程，或者出现bug，就会出现类似 fork bomb 的行为。

fork bomb 是一种黑客攻击方式：
不断建立新进程来消耗系统中的进程资源。没有限制的话，容器中的进程会把宿主机上的进程资源也消耗完，导致同一个宿主机上其他容器和宿主机都无法工作。

pids Cgroup 这个子系统来限制容器中的最大进程数目。

功能实现说明如下：
pids Cgroup 通过Cgroup 文件系统的方式向用户提供操作接口，一般它的Cgroup 文件系统挂载点在 /sys/fs/cgroup/pids

容器创建之后，创建容器的服务会在 /sys/fs/cgroup/pids 下建立一个子目录，就是一个控制组，其中 pids.max ，这个文件中写入数值就是容器允许的最大进程数目。

pids.max 中是 max 时表示没做任何限制。


# pwd
/sys/fs/cgroup/pids
# df ./
Filesystem     1K-blocks  Used Available Use% Mounted on
cgroup                 0     0         0    - /sys/fs/cgroup/pids
# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE                      COMMAND                  CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
7ecd3aa7fdc1        registry/zombie-proc:v1   "/app-test 1000"         37 hours ago        Up 37 hours                             frosty_yalow

# pwd
/sys/fs/cgroup/pids/system.slice/docker-7ecd3aa7fdc15a1e183813b1899d5d939beafb11833ad6c8b0432536e5b9871c.scope

# ls
cgroup.clone_children  cgroup.procs  notify_on_release  pids.current  pids.events  pids.max  tasks
# echo 1002 > pids.max
# cat pids.max
1002

2.3、解决问题

僵尸进程是Linux 进程退出状态的一种。

从内核进程的 do_exit() 函数看出来，僵尸进程的 task_struct 里的 mm/shm/sem/files 等文件资源都已经释放了，只留下了一个 stask_struct instance 空壳。

从进程对应的 /proc/<pid> 文件目录下看，对应的资源已经没有了。

# cat /proc/6/cmdline
# cat /proc/6/smaps
# cat /proc/6/maps
# ls /proc/6/fd

僵尸进程响应不了任何信号了，包括 SIGTERM(15) 和 SIGKILL(9)

# kill -15 6
# kill -9 6
# ps -ef | grep 6
root         6     1  0 13:59 ?        00:00:00 [app-test] <defunct>

当多个容器运行在同一个宿主机上的时候，为了避免一个容器消耗完整个宿主机的进程号资源，会配置 pids Cgroup 来限制每个容器的最大进程数目。

如果僵尸进程太多，pids.current == pids.max 新的进程就运行不了了。

例如这个时候运行一个 ls 命令，会报错：


### On host
# docker ps
CONTAINER ID        IMAGE                      COMMAND             CREATED             STATUS              PORTS               NAMES
09e6e8e16346        registry/zombie-proc:v1   "/app-test 1000"    29 minutes ago      Up 29 minutes                           peaceful_ritchie

# pwd
/sys/fs/cgroup/pids/system.slice/docker-09e6e8e1634612580a03dd3496d2efed2cf2a510b9688160b414ce1d1ea3e4ae.scope

# cat pids.max
1002
# cat pids.current
1002

### On Container
[root@09e6e8e16346 /]# ls
bash: fork: retry: Resource temporarily unavailable
bash: fork: retry: Resource temporarily unavailable

造成子进程变成僵尸进程的原因：父进程在创建完子进程之后就不管了。

例子中产生僵尸进程的代码如下：


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

 

int main(int argc, char *argv[])
{
       int i;
       int total;

       if (argc < 2) {
              total = 1;
       } else {
              total = atoi(argv[1]);
       }

       printf("To create %d processes\n", total);

       for (i = 0; i < total; i++) {
              pid_t pid = fork();
 
              if (pid == 0) {
                      printf("Child => PPID: %d PID: %d\n", getppid(),
                             getpid());
                      sleep(60);
                      printf("Child process exits\n");
                      exit(EXIT_SUCCESS);
              } else if (pid > 0) {
                      printf("Parent created child %d\n", i);
              } else {
                      printf("Unable to create child process. %d\n", i);
                      break;
              }
       }

       printf("Paraent is sleeping\n");
       while (1) {
              sleep(100);
       }

       return EXIT_SUCCESS;
}

熊孩子有问题，就找他家长处理。
子进程在容器中退出不了，就找父进程来处理。

Linux 中的进程退出之后，进入僵尸状态，就需要父进程调用 wait() 这个系统调用，去回收僵尸进程的最后那些系统资源，例如进程号资源。

上面那段产生僵尸进程的代码，在主进程进入 sleep(100) 之前，加上 wait（）函数调用，就不会出现僵尸进程的残留了。


      for (i = 0; i < total; i++) {
            int status;
            wait(&status);
      }

所有进程的最终父进程，就是 init 进程，由它负责生成容器中的所有其他进程。

因此，容器的 init 进程有责任回收容器中的所有僵尸进程。

wait（）系统调用有个问题：是一个阻塞的调用，如果没有子进程是僵尸进程的话，这个调用就一直不会返回。那么整个进程就会被阻塞住，而不能去做别的事情。

Linux 还提供了一个类似的系统调用 waitpid()
其中有个参数 WNOHANG ，含义是，如果在调用的时候没有僵尸进程，那么函数就马上返回了，而不会像 wait() 调用那样一直等待在那里。

在这个例子中，它的主进程里，就是不断在调用带 WNOHANG 参数的 waitpid()，通过这个方式清理容器中所有的僵尸进程。

https://github.com/krallin/tini


int reap_zombies(const pid_t child_pid, int* const child_exitcode_ptr) {
        pid_t current_pid;
        int current_status;

        while (1) {
                current_pid = waitpid(-1, &current_status, WNOHANG);

                switch (current_pid) {
                        case -1:
                                if (errno == ECHILD) {
                                        PRINT_TRACE("No child to wait");
                                        break;
                                }

…

三、重点总结

Linux进程状态中，僵尸进程处于 EXIT_ZOMBIE 状态
容器需要对最大进程数做限制，可以向 Cgroup中 pids.max 整个文件写入数值（这个值就是这个容器中允许的最大进程数目）
需要父进程调用wait（）或者 waitpid（）系统调用来避免僵尸进程产生。
每个Linux 进程在退出的时候都会进入一个僵尸状态（EXIT_ZOMBIE）
僵尸进程如果不清理，就会消耗系统中的进程数资源，最坏的情况是导致新的进程无法启动
僵尸进程一定需要父进程调用 wait() 或者 waitpid（）系统调用来清理，这也是容器中 init 进程必须具备的一个功能。

四、评论

思考题目：
如果容器的 init 进程创建了子进程B，B 又创建了自己的子进程C ，如果C 运行完之后，退出成了僵尸进程，B进程还在运行。而容器的 init 进程还在不断的调用 waitpid（），那C 这个僵尸进程可以被回收吗？

回答：
C 不会被回收，waitpid 仅等待 children 的状态变化。

子进程为什么先进入僵尸状态而不是直接消失？
觉得是给父进程一次机会，查看子进程的PID、终止状态、（退出码、终止原因，比如是信号终止还是正常退出等）、资源使用信息。如果子进程直接消失，那么父进程没有机会掌握子进程的具体终止情况。一般情况下，程序逻辑可能会依据子进程的终止情况做出进一步处理：比如 Nginx Master 进程获知Worker 进程异常退出，则重新拉起来一个Worker 进程。

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