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:

  1. 使用 Ctrl + Z 将当前正在运行的前台进程挂起。
  2. 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 osimport timedef main():    a = 1    while True:        time.sleep(1)        a += 1        print("a---->", a)        if a > 30:            breakif __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.pya----> 2a----> 3^Z[1]  + 1761 suspended  python test.pysample_test [master●] %

3、通过jobs命令查询后台进程。

sample_test [master●] % jobs          [1]  + suspended  python test.pysample_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.pya----> 4a----> 5a----> 6a----> 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 osimport timedef 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 osimport timedef 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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。

那么如何杀死僵尸进程呢,可以查询 僵尸进程与孤儿进程 链接,来进行学习,这里就不再讲述。

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 osimport timedef 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.pyI am father process.10秒钟过后sample_test [master●] % child process calculate result: 45

参考资料:

僵尸进程与孤儿进程