linux进程组，会话，控制终端关系

从思考题开始

先打开一个终端，运行如下命令：

$ ping www.baidu.com &
$ (ping www.qq.com &)

我们可以看到两个进程都在后台运行，ping结果都打印到当前终端。
如果此时我关闭当前终端，这两个ping程序会如何。

结论：
ping baidu会停止。
ping qq会持续运行，但是没有输出。

进程组、会话、控制终端

进程组

每个进程都属于一个进程组，进程组是一个或多个进程的集合。进程组一般也可理解为作业。
进程组有一个组长进程，组长进程的ID也是进程组ID。组长创建该组中的进程后可以退出，进程组中只要有一个进程存在，进程组就存在，和组长进程是否退出无关。

会话

会话由一个或多个进程组组成。进程可以调用setsid函数建立一个新的会话。
调用setsid的进程如果不是一个进程组的组长，那么创建会话成功，否则失败。所以创建守护进程前会先fork，然后在子进程中调用setsid。
setsid创建新会话成功后，它会做如下的事情：
（1）该进程新会话的会话首进程（session leader）
（2）该进程成为一个新进程组的组长进程。
（3）该进程脱离控制终端。

控制终端

（1）一个会话可以有一个控制终端，这个控制终端通常是终端设备（终端登录），或者伪终端设备（网络登录）。
（2）建立与终端连接的会话首进程成为控制进程
（3）一个会话中的进程组分为前台进程组和后台进程组
（4）一个会话如果有控制终端，那么它是一个前台进程组，其他的为后台进程组
（5）终端发出的信号（如ctrl + c， ctrl + z）将送到前台进程组的所有进程

后台进程组与控制终端

后台进程组如何与控制终端交互呢？
如果后台进程组要从终端读取输入，那么会产生SIGTTIN信号，默认动作时暂停该进程。串口会有打印，表明该进程已暂停。我们可通过作业控制把该进程放回前台。
如下：（fg是作业控制命令）

$ read &      
[1] 72715
[1]  + 72715 suspended (tty input)  read                                                                                                                                                                            
$ fg     
[1]  + 72715 continued  read
fdasfdsf

如果后台进程要从终端输出，默认会直接输出到会话的控制终端。如果会话禁止了后台作业输出至控制终端（命令：stty tostop），那么进程会收到SIGTTOU信号，默认动作是暂停。

$ stty tostop 
$ echo 123 &
[3] 75041
[3]  + 75041 suspended (tty output)  echo 123                                                                                                                                                                       
$ fg
[3]    75041 continued  echo 123
123

stty -tostop 可以开启后台作业输出到控制终端，默认就是开启的
如果**后台进程组要设置控制终端，那么也会遇到SIGTTOU信号(也有可能是SIGSTOP信号)**，默认动作也是暂停该进程。
比如top命令就会设置终端。

$ top -n1 > /dev/null &
[3] 88773
[3]  + 88773 suspended (signal)  top -n1 > /dev/null

孤儿进程组

进程组中的所有进程的父进程都不在所属的会话中，那么这个进程组就是孤儿进程组。
因为孤儿进程组的父进程（init进程，ubuntu中为systemd进程）不在它所属的会话中，所以如果孤儿进程暂停后，会导致没有人去唤醒它。所以给孤儿进程发送SIGTTIO，SIGTTOU，SIGSTOP都没有意义。

• 如果孤儿进程要读终端、设置终端、关闭后台进程组输出到会话的控制终端后写终端，都会产生EIO错误，而不会产生信号使进程暂停。

关系图

• 写终端产生SIGTTOU这里指：设置终端或者关闭后台进程组输出到会话的控制终端后写终端。

回到开头

$ ping www.baidu.com &
$ (ping www.qq.com &)

运行两条ping之后的进程关系如下：

$ ps -o tty,pid,ppid,pgid,sid,cmd
TT           PID    PPID    PGID     SID CMD
pts/1      31034   11477   31034   31034 zsh
pts/1      74391   31034   74391   31034 zsh
pts/1      74479   31034   74479   31034 zsh
pts/1      92787   31034   92787   31034 ping www.baidu.com
pts/1      92839    6653   92838   31034 ping www.qq.com
pts/1      93025   31034   93025   31034 ps -o tty,pid,ppid,pgid,sid,cmd

两条ping命令都属于同一个会话31034，都拥有控制终端pts/1。两者属于不同的后台进程组。ping qq的父进程是6653（systemd）,它所在的进程组为孤儿进程组。
关闭当前终端后，zsh退出产生SIGHUP信号给子进程，子进程链式产生SIGHUP给子子进程，SIGHUP默认动作是退出，所以当前会话内有亲缘关系的进程都会退出。
因为ping qq进程的父进程不在当前会话内，所以它不会退出。
另外开一个终端，查看到ping qq进程如下：

TT           PID    PPID    PGID     SID CMD
?          92839    6653   92838   31034 ping www.qq.com

只有关联的终端没有了，strace跟踪它的话，会发现，它的输出都会产生EIO错误。

write(1, "64 bytes from 240e:97c:2f:2::4c "..., 86) = -1 EIO (输入/输出错误)

编写守护进程

守护进程的主要意义在于摆脱控制终端的影响。
一般的编写方式如下：

#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syslog.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])
{

    pid_t pid, sid;
    int i;

    openlog("daemon_syslog", LOG_PID, LOG_DAEMON);
    syslog(LOG_INFO, "run...");

    pid = fork(); // 第1步
    if (pid < 0)
        exit(-1);
    else if (pid > 0)
        exit(0);              // 父进程第一次退出

    if ((sid = setsid()) < 0) // 第2步
    {
        syslog(LOG_ERR, "%s\n", "setsid");
        exit(-1);
    }
    
    // 第3步 第二次父进程退出
    if ((pid = fork()) > 0)
        exit(0);
    if ((sid = chdir("/")) < 0) // 第4步
    {
        syslog(LOG_ERR, "%s\n", "chdir");
        exit(-1);
    }
    umask(0); // 第5步
    // 第6步：关闭继承的文件描述符
    for (i = 0; i < getdtablesize(); i++)
    {
        close(i);
    }
    while (1)
    {
        // do_something();
    }
    closelog();
    exit(0);
}

讲解：

• 因为守护进程没有控制终端，标准输入输出都会关闭， 所以一般采用syslog进行输出。
• 第一次fork，可以确保进程不是进程组的组长进程。这是调用setsid的前提。
• setsid可以脱离当前的控制终端，创建新的会话，但是当前进程为会话的首进程。
• 为防止程序再次手动打开的终端成为控制终端，我们进行了第二次fork。因为会话首进程打开的终端才有可能变为控制终端。这一步也可以省略。
• 更改工作目录为’/‘，避免当前工作在其他目录上（如usb目录），导致挂载的文件系统无法卸载。
• 设置umask，继承的umask可能不是我们想要的。
• 关闭所有继承的描述符。

如上步骤创建守护进程看起来很长，有一个库函数daemon可以简化。

daemon函数

#include <unistd.h>
int daemon(int nochdir, int noclose);

• nochdir如果为0，则将工作目录设置为’/‘。否则不会更改。
• noclose如果为0，则将标准输入，标准输出，标准错误输出重定向到/dev/null。否则不会更改。

注意：
根据MAN文档说明，GNU C库的daemon实现来自BSD，它只fork一次。而不是fork两次。即调用返回后，当前进程是新会话的首进程。在遵循 System V 语义的系统（例如 Linux）上，这意味着如果守护程序打开的终端还不是另一个会话的控制终端，则该终端将无意中成为守护程序的控制终端。

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人生苦短，远离bug Leon, 2024-06-09