进程关系

进程关系

进程组

进程组概念

在 Linux 中，进程组是一个或多个进程的集合，简称PGID。每个进程都属于一个进程组，目的是为了便于对一组进程进行管理。通过将多个相关进程划分到一个进程组中，可以更方便地对他们进行控制，像发送信号、终止等操作。

当父进程创建子进程时，子进程会默认加入父进程所属的组。进程组的ID默认是第一个创建该组的进程的ID，该进程也被称为组长进程。

进程组的生存周期：从进程组创建到最后一个进程离开进程组。

一个进程可以为自己或为其子进程设置进程组ID。

我们可以通过 ps -ajx 查看进程进程关系：

root@ubuntu22:~# cat | cat | cat &  
[1] 32 
root@ubuntu22:~# ps -ajx
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
    0     1     1     1 ?            0 Ssl      0   0:00 /init
    1    14    14    14 tty1         0 Ss       0   0:00 /init
   14    15    15    14 tty1         0 S        0   0:00 -bash
   15    30    30    14 tty1         0 T        0   0:00 cat
   15    31    30    14 tty1         0 T        0   0:00 cat
   15    32    30    14 tty1         0 T        0   0:00 cat
   15    34    34    14 tty1         0 R        0   0:00 ps -ajx

在上面命令中，PGID列表示的是进程的组ID，我们发现3个 cat 进程都属于同一个组（30）。

可以使用 kill 命令向一组进程发送信号，只需将进程ID改为负数，例如：

kill -9 -30

通过上面命令，3个 cat 进程都会被杀死。

获取进程组ID

进程组表示用PGID表示，用于描述该进程所属的进程组。

getpgrp() 函数用于获取调用进程所属的进程组ID，该函数定义如下：

#include <unistd.h>

pid_t getpgrp(void);

返回值

• 如果函数执行成功，返回调用进程所属的进程组ID。
• 如果函数执行失败，函数返回 -1，可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

getpgid() 函数用于获取指定进程的进程组ID，该函数定义如下：

#include <unistd.h>

pid_t getpgid(pid_t pid);

参数说明

• pid：进程ID，如果参数为0，表示当前调用进程。

返回值

• 如果函数执行成功，返回指定进程所属的进程组ID。
• 如果函数执行失败，函数返回 -1，可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

设置进程组-setpgid()函数

setpgid()函数用于设置一个进程的进程组ID，即将一个进程移到另一个进程组中。该函数定义如下：

#include <unistd.h>

int setpgid(pid_t pid, pid_t pgid);

参数说明

• pid：进程ID，表示要修改进程组的进程。如果 pid 为0，则表示当前进程。
• pgid：进程组ID。如果 pgid 为0，则将当前进程的PID作为GID。

返回值

• 如果函数执行成功，返回指定进程所属的进程组ID。
• 如果函数执行失败，函数返回 -1，可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

如果 pid 和 pgid 都为0，则系统会将调用进程移动到一个新的进程组，并作为组长进程。

 终端

终端是用户与 Linux 内核之间进行交互的桥梁，用户通过终端可以向系统发出命令并查看系统的输出。

当Linux中，控制终端（Controlling Terminal）是一个终端设备，通常与Shell 进程相关联。当用户在终端上登录并启动一个 Shell 进程时，该终端会成为控制终端。这使得用户可以通过终端与 Shell 进行交互，管理作业以及控制进程的执行。

终端设备通常位于 /dev/ 目录下：

• 终端设备文件：/dev/tty[0-9]，例如 /dev/tty0、/dev/tty1 等。
• 控制台设备：/dev/console
• 串行端口设备：/dev/ttyS[0-9]，例如 /dev/ttyS0、/dev/ttyS1等。
• 伪终端设备（Pseudo Terminal）：/dev/pts/[0-9]，例如 /dev/pts/0、/dev/pts/1 等。

用户可以通过这些设备文件来与终端进行交互，包括登录控制终端、管理终端会话以及执行命令操作。

默认情况下，每个进程的标准输入、标准输出和标准错误输出都指向控制终端。标准输入读取用户的键盘输入，标准输出、标准错误将数据显示在显示器上。控制终端被保存在进程PCB中，当通过fork()函数创建子进程，对应的控制终端也会拷贝至子进程。

Linux启动流程如下：

      fork+exec         fork+exec           账号密码+fork
init------------>getty------------->login---------------->shell

为什么需要终端，直接从键盘和显示器中读取数据不行吗？终端实际上实现了下列功能：

1. 回显：可以让输入字符自动被回显到终端的输出上，如果没有该功能，则会极大影响用户体验。
2. 行编辑：用户输入的字符不是立马送到应用程序，而是在换行以后才能被读取到，提高容错性，当输错时，可以使用退格键重新编辑。
3. 功能键：允许定义功能键。比如最常用的Ctrl+C，杀死前台进程，就是由终端来触发的。终端检测到Ctrl+C输入，会向前台进程组发送SIGTERM信号。
4. 回车换行的转换：定义输入输出如何映射回车换行符。
5. 输入输出流向控制：只有前台进程组能够从终端中读数据、而前台后台程序都能向终端写数据。当后台进程读取终端时，终端会向其发送 SIGTTIN 信号，导致进程被挂起。

获取终端名称-ttyname函数

#include <unistd.h>

char *ttyname(int fd);

参数说明

• fd：一个与终端相关联的文件描述符。

返回值

• 如果函数执行成功，返回指向包含终端设备名称的字符串的指针。
• 如果函数执行失败，函数返回 NULL。

通常情况下，我们可以将标准输入、标准输出或标准错误的文件描述符传递给 ttyname() 函数，以获取与终端设备相关联的名称。

注意

• ttyname() 函数的返回值是指向静态分配的缓冲区的指针，因此不应该尝试释放或修改这个指针指向的内存。

会话

会话是一个或多个进程组的集合。用户登录是一个会话的开始。登录之后，用户会得到一个跟用户使用的终端相连的进程，这个进程被称作是这个会话的leader，会话的ID就等于该进程的pid。由该进程fork出来的子进程都是这个会话的成员。

有如下特点：

• 一个会话只能有一个控制终端。
• 建立与控制终端连接的会话首进程被称为控制进程。
• 一个会话中只会有一个前台进程组，其他都是后台进程组。
• 终端退出将导致会话被关闭，如果一个会话关闭，则该会话下的所有进程组都会收到 SIGHUP 信号。
• 建立和改变终端与会话的联系只能由会话领导者(session leader)来进行。

查看会话ID-getsid()函数

getsid()函数用于获取指定进程的会话ID（SID）。该函数定义如下：

#include <unistd.h>

pid_t getsid(pid_t pid);

参数说明

• pid：进程ID，如果指定为0，表示当前进程。

返回值

• 如果函数执行成功，函数返回指定进程的会话ID。
• 如果函数执行失败，函数返回 -1，可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

设置会话ID-setsid()函数

setsid()函数用于创建一个新的会话（session）并将调用进程设置为该会话的领头进程（session leader）。该函数定义如下：

#include <unistd.h>

pid_t setsid(void);

返回值

• 如果函数执行成功，函数返回新会话的会话ID。
• 如果函数执行失败，函数返回 -1，可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

通过调用 setsid() 函数，进程可以脱离其当前的控制终端，成为一个新的会话的领头进程，这样就可以独立于原来的终端进行运行。

哪些进程无法成为领头进程：

• 当前进程已经是会话的领头进程。
• 当前进程是进程组中的组长进程。

想要成功设置会话ID，可以先调用fork，父进程终止，子进程调用setsid。

守护进程（Daemon）

守护进程是一种在后台运行、独立于控制终端的进程。通常在系统启动时启动，并在系统运行期间持续运行，执行特定的任务或提供特定的服务。

特点：

• 独立于控制终端：守护进程不受控制终端的影响，通常在后台运行。
• 无法终止：守护进程通常会捕获和忽略终端信号，以防止意外终止。
• 不输出到控制台：守护进程通常将输出写入日志文件，而非终端。

创建守护进程的步骤：

1. 创建子进程，父进程退出。
2. 调用 setsid() 函数，在子进程中创建新会话。
3. 调用 chdir()函数，更改当前工作目录。进程活动时，其工作目录所在的文件系统不能卸下。一般需要将工作目录改变到根目录。
4.  重设文件权限掩码，为了不受终端信号影响，一般会调用 umask() 函数来设置文件掩码。
5. 关闭文件描述符，关闭从父进程继承而来的文件描述符。
6. 重定向标准输入、输出、错误：将标准输入、输出、错误重定向到 /dev/null 或日志文件。
7. 执行守护进程，在完成上述步骤之后，守护进程可执行自己的任务或服务。

示例：

#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<time.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/param.h>

void init_daemon()
{
    pid_t pid = fork();
    if(pid == -1)
    {
        perror("fork");
        exit(-1);
    }
    else if(pid > 0)
    {
        exit(0);
    }
    setsid();
    if(chdir("/") < 0)
    {
        perror("chdir");
        exit(-1);
    }

    umask(0);
    for (int i = 0; i < NOFILE; ++i)
    {
        close(i);
    }
}

int main(int argc, char** argv)
{
    init_daemon();
    while (1)
    {
        FILE *fp = fopen("/my_daemonLog", "a+");
        if(fp == NULL)
        {
            perror("fopen");
            exit(-1);
        }
        time_t t;
        time(&t);
        fprintf(fp, "current time is : %s\n", ctime(&t));
        fclose(fp);
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

编译运行：

$ gcc main.c
$ sudo ./a.out

根目录下会产生 my_daemonLog 文件，可以通过 cat 命令查看：

$ cat /my_daemonLog
current time is : Mon Mar  4 14:55:37 2024
current time is : Mon Mar  4 14:55:38 2024

如果要删除后台运行的进程：

$ sudo killall ./a.out