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learn.lianglianglee.com/专栏/容器实战高手课/04 理解进程（3）：为什么我在容器中的进程被强制杀死了？.md.html
周伟 d9c5ffd627 u
2022-05-11 19:04:14 +08:00

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<div class="book-post">
<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>04 理解进程（3）：为什么我在容器中的进程被强制杀死了？</h1>
<p>你好，我是程远。</p>
<p>今天我们来讲容器中 init 进程的最后一讲，为什么容器中的进程被强制杀死了。理解了这个问题，能够帮助你更好地管理进程，让容器中的进程可以 graceful shutdown。</p>
<p>我先给你说说，为什么进程管理中做到这点很重要。在实际生产环境中，我们有不少应用在退出的时候需要做一些清理工作，比如清理一些远端的链接，或者是清除一些本地的临时数据。</p>
<p>这样的清理工作，可以尽可能避免远端或者本地的错误发生，比如减少丢包等问题的出现。而这些退出清理的工作，通常是在 SIGTERM 这个信号用户注册的 handler 里进行的。</p>
<p>但是，如果我们的进程收到了 SIGKILL，那应用程序就没机会执行这些清理工作了。这就意味着，一旦进程不能 graceful shutdown，就会增加应用的出错率。</p>
<p>所以接下来，我们来重现一下，进程在容器退出时都发生了什么。</p>
<h2>场景再现</h2>
<p>在容器平台上，你想要停止一个容器，无论是在 Kubernetes 中去删除一个 pod，或者用 Docker 停止一个容器，最后都会用到 Containerd 这个服务。</p>
<p>而 Containerd 在停止容器的时候，就会向容器的 init 进程发送一个 SIGTERM 信号。</p>
<p>我们会发现，在 init 进程退出之后，容器内的其他进程也都立刻退出了。不过不同的是，init 进程收到的是 SIGTERM 信号，而其他进程收到的是 SIGKILL 信号。</p>
<p>在理解进程的第一讲中，我们提到过 SIGKILL 信号是不能被捕获的（catch）的，也就是用户不能注册自己的 handler，而 SIGTERM 信号却允许用户注册自己的 handler，这样的话差别就很大了。</p>
<p>那么，我们就一起来看看当容器退出的时候，如何才能让容器中的进程都收到 SIGTERM 信号，而不是 SIGKILL 信号。</p>
<p>延续前面课程中处理问题的思路，我们同样可以运行一个简单的容器，来重现这个问题，用这里的代码执行一下 make image ，然后用 Docker 启动这个容器镜像。</p>
<pre><code>
docker run -d --name fwd_sig registry/fwd_sig:v1 /c-init-sig
</code></pre>
<p>你会发现，在我们用 docker stop 停止这个容器的时候，如果用 strace 工具来监控，就能看到容器里的 init 进程和另外一个进程收到的信号情况。</p>
<p>在下面的例子里，进程号为 15909 的就是容器里的 init 进程，而进程号为 15959 的是容器里另外一个进程。</p>
<p>在命令输出中我们可以看到，init 进程（15909）收到的是 SIGTERM 信号，而另外一个进程（15959）收到的果然是 SIGKILL 信号。</p>
<pre><code>
# ps -ef | grep c-init-sig
root 15857 14391 0 06:23 pts/0 00:00:00 docker run -it registry/fwd_sig:v1 /c-init-sig
root 15909 15879 0 06:23 pts/0 00:00:00 /c-init-sig
root 15959 15909 0 06:23 pts/0 00:00:00 /c-init-sig
root 16046 14607 0 06:23 pts/3 00:00:00 grep --color=auto c-init-sig
# strace -p 15909
strace: Process 15909 attached
restart_syscall(&lt;... resuming interrupted read ...&gt;) = ? ERESTART_RESTARTBLOCK (Interrupted by signal)
--- SIGTERM {si_signo=SIGTERM, si_code=SI_USER, si_pid=0, si_uid=0} ---
write(1, &quot;received SIGTERM\n&quot;, 17) = 17
exit_group(0) = ?
+++ exited with 0 +++
# strace -p 15959
strace: Process 15959 attached
restart_syscall(&lt;... resuming interrupted read ...&gt;) = ?
+++ killed by SIGKILL +++
</code></pre>
<h2>知识详解：信号的两个系统调用</h2>
<p>我们想要理解刚才的例子，就需要搞懂信号背后的两个系统调用，它们分别是 kill() 系统调用和 signal() 系统调用。</p>
<p>这里呢，我们可以结合前面讲过的信号来理解这两个系统调用。在容器 init 进程的第一讲里，我们介绍过信号的基本概念了，信号就是 Linux 进程收到的一个通知。</p>
<p>等你学完如何使用这两个系统调用之后，就会更清楚 Linux 信号是怎么一回事，遇到容器里信号相关的问题，你就能更好地理清思路了。</p>
<p>我还会再给你举个使用函数的例子，帮助你进一步理解进程是如何实现 graceful shutdown 的。</p>
<p>进程对信号的处理其实就包括两个问题，一个是进程如何发送信号，另一个是进程收到信号后如何处理。</p>
<p>我们在 Linux 中发送信号的系统调用是 kill()，之前很多例子里面我们用的命令 kill ，它内部的实现就是调用了 kill() 这个函数。</p>
<p>下面是 Linux Programmer’s Manual 里对 kill() 函数的定义。</p>
<p>这个函数有两个参数，一个是 sig，代表需要发送哪个信号，比如 sig 的值是 15 的话，就是指发送 SIGTERM；另一个参数是 pid，也就是指信号需要发送给哪个进程，比如值是 1 的话，就是指发送给进程号是 1 的进程。</p>
<pre><code>NAME
kill - send signal to a process
SYNOPSIS
# include &lt;sys/types.h&gt;
# include &lt;signal.h&gt;
int kill(pid_t pid, int sig);
</code></pre>
<p>我们知道了发送信号的系统调用之后，再来看另一个系统调用，也就是 signal() 系统调用这个函数，它可以给信号注册 handler。</p>
<p>下面是 signal() 在 Linux Programmer’s Manual 里的定义，参数 signum 也就是信号的编号，例如数值 15，就是信号 SIGTERM；参数 handler 是一个函数指针参数，用来注册用户的信号 handler。</p>
<pre><code>
NAME
signal - ANSI C signal handling
SYNOPSIS
# include &lt;signal.h&gt;
typedef void (*sighandler_t)(int);
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);
</code></pre>
<p>在容器 init 进程的第一讲里，我们学过进程对每种信号的处理，包括三个选择：调用系统缺省行为、捕获、忽略。而这里的选择，其实就是程序中如何去调用 signal() 这个系统调用。</p>
<p>第一个选择就是缺省，如果我们在代码中对某个信号，比如 SIGTERM 信号，不做任何 signal() 相关的系统调用，那么在进程运行的时候，如果接收到信号 SIGTERM，进程就会执行内核中 SIGTERM 信号的缺省代码。</p>
<p>对于 SIGTERM 这个信号来说，它的缺省行为就是进程退出（terminate）。</p>
<p>内核中对不同的信号有不同的缺省行为，一般会采用退出（terminate），暂停（stop），忽略（ignore）这三种行为中的一种。</p>
<p>那第二个选择捕获又是什么意思呢?</p>
<p>捕获指的就是我们在代码中为某个信号，调用 signal() 注册自己的 handler。这样进程在运行的时候，一旦接收到信号，就不会再去执行内核中的缺省代码，而是会执行通过 signal() 注册的 handler。</p>
<p>比如下面这段代码，我们为 SIGTERM 这个信号注册了一个 handler，在 handler 里只是做了一个打印操作。</p>
<p>那么这个程序在运行的时候，如果收到 SIGTERM 信号，它就不会退出了，而是只在屏幕上显示出&quot;received SIGTERM&quot;。</p>
<pre><code>void sig_handler(int signo)
{
if (signo == SIGTERM) {
printf(&quot;received SIGTERM\n&quot;);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
...
signal(SIGTERM, sig_handler);
...
}
</code></pre>
<p>我们再来看看第三个选择，如果要让进程“忽略”一个信号，我们就要通过 signal() 这个系统调用，为这个信号注册一个特殊的 handler，也就是 SIG_IGN 。</p>
<p>比如下面的这段代码，就是为 SIGTERM 这个信号注册SIG_IGN。</p>
<p>这样操作的效果，就是在程序运行的时候，如果收到 SIGTERM 信号，程序既不会退出，也不会在屏幕上输出 log，而是什么反应也没有，就像完全没有收到这个信号一样。</p>
<pre><code>int main(int argc, char *argv[])
{
...
signal(SIGTERM, SIG_IGN);
...
}
</code></pre>
<p>好了，我们通过讲解 signal() 这个系统调用，帮助你回顾了信号处理的三个选择：缺省行为、捕获和忽略。</p>
<p>这里我还想要提醒你一点， SIGKILL 和 SIGSTOP 信号是两个特权信号，它们不可以被捕获和忽略，这个特点也反映在 signal() 调用上。</p>
<p>我们可以运行下面的这段代码，如果我们用 signal() 为 SIGKILL 注册 handler，那么它就会返回 SIG_ERR，不允许我们做捕获操作。</p>
<pre><code># cat reg_sigkill.c
# include &lt;stdio.h&gt;
# include &lt;stdlib.h&gt;
# include &lt;unistd.h&gt;
# include &lt;errno.h&gt;
# include &lt;signal.h&gt;
typedef void (*sighandler_t)(int);
void sig_handler(int signo)
{
if (signo == SIGKILL) {
printf(&quot;received SIGKILL\n&quot;);
exit(0);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
sighandler_t h_ret;
h_ret = signal(SIGKILL, sig_handler);
if (h_ret == SIG_ERR) {
perror(&quot;SIG_ERR&quot;);
}
return 0;
}
# ./reg_sigkill
SIG_ERR: Invalid argument
</code></pre>
<p>最后，我用下面这段代码来做个小结。</p>
<p>这段代码里，我们用 signal() 对 SIGTERM 这个信号做了忽略，捕获以及恢复它的缺省行为，并且每一次都用 kill() 系统调用向进程自己发送 SIGTERM 信号，这样做可以确认进程对 SIGTERM 信号的选择。</p>
<pre><code># include &lt;stdio.h&gt;
# include &lt;signal.h&gt;
typedef void (*sighandler_t)(int);
void sig_handler(int signo)
{
if (signo == SIGTERM) {
printf(&quot;received SIGTERM\n\n&quot;);
// Set SIGTERM handler to default
signal(SIGTERM, SIG_DFL);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
//Ignore SIGTERM, and send SIGTERM
// to process itself.
signal(SIGTERM, SIG_IGN);
printf(&quot;Ignore SIGTERM\n\n&quot;);
kill(0, SIGTERM);
//Catch SIGERM, and send SIGTERM
// to process itself.
signal(SIGTERM, sig_handler);
printf(&quot;Catch SIGTERM\n&quot;);
kill(0, SIGTERM);
//Default SIGTERM. In sig_handler, it sets
//SIGTERM handler back to default one.
printf(&quot;Default SIGTERM\n&quot;);
kill(0, SIGTERM);
return 0;
}
</code></pre>
<p>我们一起来总结一下刚才讲的两个系统调用：</p>
<p>先说说 kill() 这个系统调用，它其实很简单，输入两个参数：进程号和信号，就把特定的信号发送给指定的进程了。</p>
<p>再说说 signal() 这个调用，它决定了进程收到特定的信号如何来处理，SIG_DFL 参数把对应信号恢复为缺省 handler，也可以用自定义的函数作为 handler，或者用 SIG_IGN 参数让进程忽略信号。</p>
<p>对于 SIGKILL 信号，如果调用 signal() 函数，为它注册自定义的 handler，系统就会拒绝。</p>
<h2>解决问题</h2>
<p>我们在学习了 kill() 和 signal() 这个两个信号相关的系统调用之后，再回到这一讲最初的问题上，为什么在停止一个容器的时候，容器 init 进程收到的 SIGTERM 信号，而容器中其他进程却会收到 SIGKILL 信号呢？</p>
<p>当 Linux 进程收到 SIGTERM 信号并且使进程退出，这时 Linux 内核对处理进程退出的入口点就是 do_exit() 函数，do_exit() 函数中会释放进程的相关资源，比如内存，文件句柄，信号量等等。</p>
<p>Linux 内核对处理进程退出的入口点就是 do_exit() 函数，do_exit() 函数中会释放进程的相关资源，比如内存，文件句柄，信号量等等。</p>
<p>在做完这些工作之后，它会调用一个 exit_notify() 函数，用来通知和这个进程相关的父子进程等。</p>
<p>对于容器来说，还要考虑 Pid Namespace 里的其他进程。这里调用的就是 zap_pid_ns_processes() 这个函数，而在这个函数中，如果是处于退出状态的 init 进程，它会向 Namespace 中的其他进程都发送一个 SIGKILL 信号。</p>
<p>整个流程如下图所示。</p>
<p><img src="assets/c1e81208784d10ef370b9fd753d2c3a7.jpg" alt="img" /></p>
<p>你还可以看一下，内核代码是这样的。</p>
<pre><code> /*
* The last thread in the cgroup-init thread group is terminating.
* Find remaining pid_ts in the namespace, signal and wait for them
* to exit.
*
* Note: This signals each threads in the namespace - even those that
* belong to the same thread group, To avoid this, we would have
* to walk the entire tasklist looking a processes in this
* namespace, but that could be unnecessarily expensive if the
* pid namespace has just a few processes. Or we need to
* maintain a tasklist for each pid namespace.
*
*/
rcu_read_lock();
read_lock(&amp;tasklist_lock);
nr = 2;
idr_for_each_entry_continue(&amp;pid_ns-&gt;idr, pid, nr) {
task = pid_task(pid, PIDTYPE_PID);
if (task &amp;&amp; !__fatal_signal_pending(task))
group_send_sig_info(SIGKILL, SEND_SIG_PRIV, task, PIDTYPE_MAX);
}
</code></pre>
<p>说到这里，我们也就明白为什么容器 init 进程收到的 SIGTERM 信号，而容器中其他进程却会收到 SIGKILL 信号了。</p>
<p>前面我讲过，SIGKILL 是个特权信号（特权信号是 Linux 为 kernel 和超级用户去删除任意进程所保留的，不能被忽略也不能被捕获）。</p>
<p>所以进程收到这个信号后，就立刻退出了，没有机会调用一些释放资源的 handler 之后，再做退出动作。</p>
<p>而 SIGTERM 是可以被捕获的，用户是可以注册自己的 handler 的。因此，容器中的程序在 stop container 的时候，我们更希望进程收到 SIGTERM 信号而不是 SIGKILL 信号。</p>
<p>那在容器被停止的时候，我们该怎么做，才能让容器中的进程收到 SIGTERM 信号呢？</p>
<p>你可能已经想到了，就是让容器 init 进程来转发 SIGTERM 信号。的确是这样，比如 Docker Container 里使用的 tini 作为 init 进程，tini 的代码中就会调用 sigtimedwait() 这个函数来查看自己收到的信号，然后调用 kill() 把信号发给子进程。</p>
<p>我给你举个具体的例子说明，从下面的这段代码中，我们可以看到除了 SIGCHLD 这个信号外，tini 会把其他所有的信号都转发给它的子进程。</p>
<pre><code>int wait_and_forward_signal(sigset_t const* const parent_sigset_ptr, pid_t const child_pid) {
siginfo_t sig;
if (sigtimedwait(parent_sigset_ptr, &amp;sig, &amp;ts) == -1) {
switch (errno) {
}
} else {
/* There is a signal to handle here */
switch (sig.si_signo) {
case SIGCHLD:
/* Special-cased, as we don't forward SIGCHLD. Instead, we'll
* fallthrough to reaping processes.
*/
PRINT_DEBUG(&quot;Received SIGCHLD&quot;);
break;
default:
PRINT_DEBUG(&quot;Passing signal: '%s'&quot;, strsignal(sig.si_signo));
/* Forward anything else */
if (kill(kill_process_group ? -child_pid : child_pid, sig.si_signo)) {
if (errno == ESRCH) {
PRINT_WARNING(&quot;Child was dead when forwarding signal&quot;);
} else {
PRINT_FATAL(&quot;Unexpected error when forwarding signal: '%s'&quot;, strerror(errno));
return 1;
}
}
break;
}
}
return 0;
}
</code></pre>
<p>那么我们在这里明确一下，怎么解决停止容器的时候，容器内应用程序被强制杀死的问题呢？</p>
<p>解决的方法就是在容器的 init 进程中对收到的信号做个转发，发送到容器中的其他子进程，这样容器中的所有进程在停止时，都会收到 SIGTERM，而不是 SIGKILL 信号了。</p>
<h2>重点小结</h2>
<p>这一讲我们要解决的问题是让容器中的进程，在容器停止的时候，有机会 graceful shutdown，而不是收到 SIGKILL 信号而被强制杀死。</p>
<p>首先我们通过对 kill() 和 signal() 这个两个系统调用的学习，进一步理解了进程是怎样处理 Linux 信号的，重点是信号在接收处理的三个选择：忽略，捕获和缺省行为。</p>
<p>通过代码例子，我们知道 SIGTERM 是可以被忽略和捕获的，但是 SIGKILL 是不可以被忽略和捕获的。</p>
<p>了解这一点以后，我们就找到了问题的解决方向，也就是我们需要在停止容器时，让容器中的应用收到 SIGTERM，而不是 SIGKILL。</p>
<p>具体怎么操作呢？我们可以在容器的 init 进程中对收到的信号做个转发，发送到容器中的其他子进程。这样一来，容器中的所有进程在停止容器时，都会收到 SIGTERM，而不是 SIGKILL 信号了。</p>
<p>我认为，解决 init 进程信号的这类问题其实并不难。</p>
<p>我们只需要先梳理一下和这个问题相关的几个知识点，再写个小程序，让它跑在容器里，稍微做几个试验。然后，我们再看一下内核和 Docker 的源代码，就可以很快得出结论了。</p>
<h2>思考题</h2>
<p>请你回顾一下基本概念中最后的这段代码，你可以想一想，在不做编译运行的情况下，它的输出是什么？</p>
<pre><code class="language-c"># include &lt;stdio.h&gt;
# include &lt;signal.h&gt;
typedef void (*sighandler_t)(int);
void sig_handler(int signo)
{
if (signo == SIGTERM) {
printf(&quot;received SIGTERM\n\n&quot;);
// Set SIGTERM handler to default
signal(SIGTERM, SIG_DFL);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
//Ignore SIGTERM, and send SIGTERM
// to process itself.
signal(SIGTERM, SIG_IGN);
printf(&quot;Ignore SIGTERM\n\n&quot;);
kill(0, SIGTERM);
//Catch SIGERM, and send SIGTERM
// to process itself.
signal(SIGTERM, sig_handler);
printf(&quot;Catch SIGTERM\n&quot;);
kill(0, SIGTERM);
//Default SIGTERM. In sig_handler, it sets
//SIGTERM handler back to default one.
printf(&quot;Default SIGTERM\n&quot;);
kill(0, SIGTERM);
return 0;
}
</code></pre>
<p>欢迎留言和我分享你的想法和疑问。如果读完这篇文章有所收获，也欢迎你分享给自己的朋友，共同学习和进步。</p>
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<a href="/专栏/容器实战高手课/05 容器CPU（1）：怎么限制容器的CPU使用？.md.html">下一页</a>
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