【Linux】进程间关系与守护进程

🌎进程间关系与守护进程


文章目录：

进程间关系与守护进程

    进程组
    会话
      认识会话
      会话ID
      创建会话

    控制终端
    作业控制
      作业(job)和作业控制(Job Control)
      作业号及作业过程

    守护进程

🚀进程组

  之前我们提到了进程的概念， 其实每一个进程除了有一个进程 ID(PID)之外 还属于一个进程组。进程组是一个或者多个进程的集合， 一个进程组可以包含多个进程。 每一个进程组也有一个唯一的进程组 ID(PGID)， 并且这个 PGID 类似于进程 ID， 同样是一个正整数， 可以存放在 pid_t 数据类型中。我们使用如下命令可以查看进程组：

ps-eopid,pgid,ppid,comm|greptest
  • -e 选项: 表示every的意思，表示输出每一个进程信息
  • -o选项: 以逗号操作符（,）作为定界符,可以指定要输出的列

在这里插入图片描述

  我们使用sleep命令通过管道创建了 3个进程，虽然这并没有什么意义，我们发现，这三个进程的 ppid 是相同的，也就是说，这三个进程是兄弟进程，那么他们的父进程是谁呢？就是我们常说的 bash 进程。

  如果你仔细观察上图，会发现有一列名为 PGID 的数值，它们三个进程都是一样的，而 PGID 表示的就是进程组id，如果你再仔细观察，Sleep 10000 进程的进程id实际上就是他们三个的进程组id，这就表示，-每一个进程组都有一个组长进程。组长进程的ID等于其进程ID。

  如果只有一个进程会是什么情况呢？还会有进程组出现吗？我们不妨做个简单的实验，实验代码如下所示：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>int main()
{while(true){std::cout << "I'm a process, pid is: " << getpid() << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

在这里插入图片描述

  从结果我们可以得出结论：无论进程是一个还是多个，都会有自己的进程组，如果是多个进程，会以第一个创建的进程的pid为进程组id，如果为单个进程，自己的pid就是进程组id。还有一种情况，我们没考虑到，如果是父子进程之间呢？会有什么样的关系？我们继续做实验，下面是实验代码：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>int main()
{pid_t id = fork();if(id == 0){while(true){std::cout << "I'm a sub process, pid is: " << getpid() << std::endl;sleep(1);}}sleep(3);std::cout << "I'm a father process, pid is: " << getpid() << std::endl;sleep(100);return 0;
}

在这里插入图片描述

  我们发现，进程组的组id就是父进程的进程pid，其实也不难解释，因为需要先创建父进程才会创建子进程，而父子进程工作实际上就是在同一个进程组当中执行任务。

  • 进程组组长的作用：进程组组长可以创建一个进程组或者创建该组中的进程。
  • 进程组的生命周期：从进程组创建开始到其中最后一个进程离开为止。

注意：主要某个进程组中有一个进程存在，则该进程组就存在，这与其组长进程是否已经终止无关。

🚀 会话

✈️认识会话

  刚刚我们谈到了进程组的概念，那么会话又是什么呢？会话其实和进程组息息相关，会话可以看成是一个或多个进程组的集合，一个会话可以包含多个进程组。每一个会话也有一个 会话ID(SID)。

  当我们在使用远程登录Xshell的时候，远端服务器会给我们做鉴权，我们登录成功之后系统会分配给我们一个终端文件，如下所示：

在这里插入图片描述

  最开始我们只连接了一个客户端，此时在 /dev/pts 目录下就是我们的终端文件，当时只有0号文件这一个文件，但是当我们开启第二个终端，我们再次查看这个目录，就会发现终端文件就会多出一号。

  除了会给每个用户分配一个终端文件以外，每个用户也会启动自己的bash进程，每当有新的用户连接时，机会分配一个新的bash：

在这里插入图片描述
  

在这里插入图片描述

  我们前面说了，一个会话是包含多个进程组的，为了验证这个事实，我们创建两个进程组，一个是 sleep 10000 | sleep 20000 | sleep 30000 一个是我们前面写的程序，同时我们使用如下命令对他们进行监测：

ps ajx | head -1 && ps ajx | grep -E 'sleep|process_task' # -E选项表示''中的内容只要有匹配的就显示出来

在这里插入图片描述

  可以看到，系统中存在五个进程，并且这些进程被分为了两组，但是我们观察SID这一栏，我们不难发现，它们的SID都是相同的，尽管是两个不同的进程组。而前面我们说了，SID就是会话ID，这也就证明了，一个会话中可以存在多个进程组。

✈️会话ID

  上边我们提到了会话 ID， 那么会话 ID 是什么呢？ 我们可以先说一下会话首进程， 会话首进程是具有唯一进程 ID 的单个进程， 那么我们可以将会话首进程的进程 ID 当做是会话 ID。

  注意：会话 ID 在有些地方也被称为 会话首进程的进程组 ID， 因为会话首进程总是一个进程组的组长进程， 所以两者是等价的。

在这里插入图片描述

  在上面的例子中，我们除了看到这两个进程组是属于同一个会话以外，如果你仔细观察，会发现他们5个进程的ppid都是bash，而bash又作为第一个终端下启动的进程，所以正常情况下一个会话的会话id实际上就是bash进程的pid。

✈️创建会话

  我们知道什么是会话了以后，我们该如何手动创建一个会话呢？实际上OS给我们提供系统调用的接口 setsid() ，可以调用 setseid 函数来创建一个会话， 前提是 调用进程不能是一个进程组的组长。

在这里插入图片描述

  • 返回值：成功返回创建会话的sid，失败返回-1。

该接口调用之后会发生：

  • 调用进程会变成新会话的会话首进程。 此时， 新会话中只有唯一的一个进程。
  • 调用进程会变成进程组组长。 新进程组 ID 就是当前调用进程 ID。
  • 该进程没有控制终端。 如果在调用 setsid 之前该进程存在控制终端， 则调用之后会切断联系。

注意：
  这个接口如果调用进程原来是进程组组长， 则会报错， 为了避免这种情况， 我们通常的使用方法是先调用 fork 创建子进程， 父进程终止， 子进程继续执行， 因为子进程会继承父进程的进程组 ID, 而进程 ID 则是新分配的， 就不会出现错误的情况。

🚀控制终端

  在上面的例子中，如果你仔细观察，当我在测试不同进程组属于同一个会话的时候，我们把 sleep 10000 | sleep 20000 | sleep 30000 & 变成了后台进程，这是因为 在同一个会话中，可以运行同时存在的多个进程，但是在任何时刻，只允许有一个前台进程（进程组），可以允许有多个后台进程！并且只有前台进程才能获取从键盘得到的数据以及指令。这也就是为什么我们无法使用 Ctrl C 来杀死后台进程。

  在 UNIX 系统中，用户通过终端登录系统后得到一个 Shell 进程，这个终端成为 Shell进程的控制终端。控制终端是保存在 PCB 中的信息，我们知道 fork 进程会复制 PCB中的信息，因此由 Shell 进程启动的其它进程的控制终端也是这个终端。默认情况下没有重定向，每个进程的标准输入、标准输出和标准错误都指向控制终端，进程从标准输入读也就是读用户的键盘输入，进程往标准输出或标准错误输出写也就是输出到显示器上。另外会话、进程组以及控制终端还有一些其他的关系，我们在下边详细介绍一下：

  •  一个会话可以有一个控制终端，通 常会话首进程打开一个终端（终端设备或伪终端设备）后，该终端就成为该会话的控制终端。
  •  建立与控制终端连接的会话首进程被称为 控制进程。
  •  一个会话中的 几个进程组可被分成一个前台进程组以及一个或者多个后台进程组。
  •  如果一个会话有一个控制终端，则它有一个前台进程组，会话中的其他进程组则为后台进程组。
  •  无论何时进入终端的中断键（ctrl+c）或退出键（ctrl+\），就会将中断信号发送给前台进程组的所有进程。
  •  如果终端接口检测到调制解调器（或网络）已经断开，则将挂断信号发送给控制进程（会话首进程）。

它们的关系如下图所示：

在这里插入图片描述

  那么当用户退出的时候，会话中的进程组虽然不一定都终止（不同OS处理方式不同），但是这些进程组一定会受到影响。

🚀作业控制

✈️作业(job)和作业控制(Job Control)

  作业 是针对用户来讲，用户完成某项任务而启动的进程，一个作业既可以只包含一个进程，也可以包含多个进程，进程之间互相协作完成任务， 通常是一个 进程管道。

  Shell 分前后台来控制的不是进程而是 作业 或者进程组。一个前台作业可以由多个进程组成，一个后台作业也可以由多个进程组成，Shell 可以同时运⾏一个前台作业和任意多个后台作业，这称为 作业控制。

  例如下列命令就是一个作业，它包括两个命令，在执⾏时 Shell 将在前台启动由两个进程组成的作业：

cat process.cc | head -n 5

在这里插入图片描述

✈️作业号及作业过程

  放在后台执⾏的程序或命令称为后台命令，可以在命令的后面加上&符号从而让Shell 识别这是一个后台命令，后台命令不用等待该命令执⾏完成，就可立即接收新的命令，另外后台进程执行完后会返回一个作业号以及一个进程号（PID）。

  例如下面的命令在后台启动了一个作业， 该作业由三个进程组成， 三个进程都在后台运⾏:

在这里插入图片描述
  我们将 sleep 1000 | sleep 2000 | sleep 3000 & 三个进程放到了后台运行，执行的那一刻，我们就得到了作业号，并且 该作业号通常是进程组当中最进入的进程pid。

  当然，我们有更简单的命令来查看后台启动的作业，jobs 命令：

在这里插入图片描述
  如果我们想要把一个后台作业放到前台去运行，我们可以使用 fg 作业序号 ：

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  如果这个时候，你需要将放置到前台的作业再次放回到后台去运行，那么首先你需要先将作业暂停，使用 Ctrl Z 快捷键进行暂停作业，而暂停的进程就会自动的变成后台进程，这时候我们使用 bg 作业序号 就可以继续运行任务了：

在这里插入图片描述

  我们仔细观察这些后台进程，在序号后面会跟着加号或者减号，这些是什么东西？实际上这与默认作业是有关系的。关于默认作业：对于一个用户来说，只能有一个默认作业（+），同时也只能有一个即将成为默认作业的作业（-），当默认作业退出后，该作业会成为默认作业。而作业也会有自己的状态，一般分为以下几种：

在这里插入图片描述

🚀守护进程

  假设一个会话中存在4个进程组，并且第四个进程组只有一个进程，如果我们将第四个进程（进程组）独立出来，形成一个新的会话，这个进程就叫做 守护进程。

在这里插入图片描述
  不同的程序员对创建守护进程的方式不同，这里我们用上面提到的 setsid() 来创建一个新的会话，这样就可以形成一个守护进程了，但是调用该接口的不能是进程组的组长，所以我们可以通过fork创建子进程，并将父进程退出，让子进程执行该接口即可。而父进程退出之后子进程就变成了孤儿进程，所以守护进程是孤儿进程的一种特殊情况。

  如果我们直接调用setsid()是行不通的，必须得首先创建子进程，并且退出父进程，这样很费力，所以Linux给我们提供了一个一劳永逸的接口，不需要你创建子进程，因为其函数内部就已经做了处理 Daemon()

在这里插入图片描述

  • nochdir 参数：是否更改当前进程的工作目录。如果更改，守护进程的目录就会切换为根目录，如果不更改，则在启动时的路径下。
  • nocliose参数：是否需要进行输入输出的处理。

  Linux每个终端下都会存在一个null文件：/dev/null，如果去读取这个文件，文件内是没有任何内容的，如果对该文件进行写，同样也不会保存任何信息，而是立刻丢弃。我们知道，当我们创建了守护进程，也就意味着脱离了原本的会话，所以也就没有原本的终端文件了，守护进程内可能存在大量的IO操作，为了避免因为没有对应的终端文件进行IO而出错，我们可以将 0，1，2三个文件描述符全部重定向到 /dev/null 当中。

#include <iostream>
#include <unistd.h>int main()
{std::cout << "Pid is: " << getpid() << std::endl;sleep(1);daemon(0, 0);while(true){std::cout << "hello test" << std::endl;sleep(1);}return 0;
}

  以上是一个简单的测试样例，daemon内部会自动的fork并且退出父进程：

在这里插入图片描述

  经过测试我们可以看到，hello.exe 的TTY，也就是终端文件变成了 “?”， 也就表示已经不属于当前的会话了，而SID同样与当前进程的SID不同，并且SID为守护进程的pid。如果我们查看守护进程的工作目录：

在这里插入图片描述
  可以看到，守护进程当前工作目录实际上就是在根目录，如果我们同时查看该守护进程的文件fd就会发现：

在这里插入图片描述

  由此可见，daemon接口的两个参数实际上是bool值类型的，第一个参数表示是否更改工作目录，第二个参数表示是否更改重定向，如果我们把daemon参数设置为daemon(0, 0)：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

  将daemon参数设置为(1, 1)就会导致我们输出的内容还是在上一个会话下，并且Ctrl C 也无法终止进程（可使用 kill -9 process_pid 杀死进程），当我们查询进程工作目录时，也能发现其在当前的工作目录下，而fd也指向了第一个终端文件。

  那么这里，我们来模拟一下daemon接口的行为：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstdlib>const std::string defaultpath = "/";
const std::string defaultdev = "/dev/null";void Daemon(bool ischdir, bool isclose)
{//1. 忽略掉不要的信号signal(SIGCHLD, SIG_IGN);signal(SIGPIPE, SIG_IGN);// forkif(fork() > 0) exit(0);//setsidsetsid();// 确认是否要更改工作目录if(ischdir)chdir(defaultpath.c_str());// 对012进行重定向if(!isclose){::close(0);::close(1);::close(2);}else{int fd = open(defaultdev.c_str(), O_RDWR);if(fd > 0){dup2(fd, 0);dup2(fd, 1);dup2(fd, 2);::close(fd);}}
}

  这样我们的daemon接口就模拟完成了，接着在main函数中我们就可以调用该接口实现会话分离：

#include <iostream>
#include <string>
#include <unistd.h>
#include "Daemon.hpp"int main()
{Daemon(false, false);while(true){sleep(1);// 模拟任务}return 0;
}

在这里插入图片描述

  该进程就变成了守护进程，可以看到ppid变为了1，pid与pgid, sid都相同也验证了我们所说的部分，并且TTY，我们找不到对应的终端文件了，更可以证明这个进程已经是一个守护进程了。要杀死守护进程也很简单，使用kill命令即可。

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