面试题：C语言在复杂Linux进程环境下的子进程状态深度分析与优化

Question

假设在一个复杂的Linux环境中有大量的C语言进程，每个父进程创建多个子进程。要求设计一个机制，能够高效地管理这些子进程的状态，包括正常退出、异常终止、被信号中断等情况。不仅要能实时获取每个子进程的状态，还要对整个进程集合的状态进行统计和分析，以便及时发现系统中的潜在问题。请详细描述设计思路、关键数据结构、所使用的C语言函数及优化措施。

Answer 1

设计思路

1. 进程状态监控：利用waitpid函数来等待子进程状态改变。父进程可以通过循环调用waitpid并设置合适的选项（如WNOHANG实现非阻塞等待）来检查子进程状态。
2. 信号处理：注册信号处理函数来处理子进程异常终止或被信号中断的情况。例如，使用SIGCHLD信号，当子进程状态改变时，系统会发送该信号给父进程。
3. 状态统计与分析：维护一个数据结构来记录每个子进程的状态信息，定期或在状态改变时对这些信息进行统计分析，比如统计正常退出、异常终止的子进程数量等。

关键数据结构

1. 结构体数组：定义一个结构体数组来存储每个子进程的相关信息，结构体可包含子进程的PID、当前状态（正常退出、异常终止等）、退出状态码等。

typedef struct {
    pid_t pid;
    int status;
    int exit_code;
    int state; // 0:正常运行, 1:正常退出, 2:异常终止, 3:被信号中断
} ChildProcess;

2. 链表：也可以使用链表结构来动态管理子进程信息，便于添加和删除子进程节点。

所使用的C语言函数

1. fork：用于创建子进程。

pid_t pid = fork();
if (pid == -1) {
    perror("fork error");
    exit(EXIT_FAILURE);
} else if (pid == 0) {
    // 子进程代码
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

2. waitpid：等待子进程状态改变。

int status;
pid_t wpid = waitpid(pid, &status, WNOHANG);
if (wpid == -1) {
    perror("waitpid error");
} else if (wpid == 0) {
    // 子进程还未结束
} else {
    if (WIFEXITED(status)) {
        // 正常退出
    } else if (WIFSIGNALED(status)) {
        // 被信号中断
    } else if (WIFSTOPPED(status)) {
        // 被暂停
    }
}

3. signal：注册信号处理函数。

void sigchld_handler(int signum) {
    pid_t pid;
    int status;
    while ((pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG)) > 0) {
        // 处理子进程状态改变
    }
}
signal(SIGCHLD, sigchld_handler);

优化措施

1. 非阻塞等待：在waitpid中使用WNOHANG选项，避免父进程阻塞，提高系统的并发处理能力。
2. 批量处理：可以批量等待多个子进程状态改变，减少系统调用次数。例如，使用waitid函数结合SIGCHLD信号批量处理子进程状态改变。
3. 数据结构优化：如果子进程数量较多，使用哈希表或红黑树等数据结构来代替简单的数组或链表，提高查找和统计效率。