Linux笔记---进程间关系与守护进程

1. 进程组

在操作系统中，进程组（Process Group） 是由一个或多个相关进程组成的集合，用于简化对多个关联进程的统一管理。它是 Unix/Linux 系统中进程组织的重要概念，主要为了方便信号传递、作业控制等操作。

每个进程组由唯一的 进程组 ID（PGID） 标识。通常，进程组的创建者（称为 “组长进程”）的进程 ID（PID）会作为该进程组的 PGID（即 PGID = 组长进程的PID）。

什么是有关联的进程呢？有父子关系的进程、通过管道相连的进程……这些在操作系统层面上有关联，需要相互协作的进程就叫有关联的进程。

例如，我们在命令行中输入如下的命令：

sleep 1000 | sleep 2000 | sleep 3000

这三个sleep进程之间就是有关联的进程，我们使用ps命令查看这三个进程的信息：

我们可以发现，三者的PGID是相同的，这就代表他们是一个进程组的。其中，sleep 1000的PID和PGID是相同的，这就代表它是这个进程组的组长。

当一个进程没有与其他进程产生关联时，它自己就构成一个进程组，同时也是组长。

进程组的主要作用：

• 批量信号处理：可以向整个进程组发送信号（而非单个进程），简化对关联进程的统一控制。例如，在终端中按下 Ctrl+C 时，内核会向前台进程组的所有进程发送 SIGINT 信号（在上面的例子当中，如果我们按下Ctrl+C，三个sleep进程会一起被终止）。
• 作业控制：shell 利用进程组实现 “前台 / 后台作业” 管理。例如，通过 & 让命令在后台运行时，shell 会为其创建一个独立的进程组。一个进程组成为前台进程组时，本质上是组长进程成为前台进程，并与终端交互。

2. 会话

在 Unix/Linux 操作系统中，会话（Session） 是比进程组更高一级的进程组织单位，由一个或多个进程组组成，主要用于管理进程与控制终端的关联，是作业控制和终端交互的核心机制。

每个会话由唯一的 会话 ID（SID） 标识，通常以创建会话的进程（称为 “会话首进程”）的 PID 作为 SID（即 SID = 会话首进程的PID）。

用户登录（或者说开启一个终端），操作系统就会为用户创建一个会话，这个会话就关联到该终端。shell程序（bash）就作为会话的首进程：

而在某个终端当中启动的进程（组）就属于这个终端关联的会话：

当用户退出时（关闭终端），对应的会话就会被关闭，其中的进程组也就随之被全部终止。

一个会话只关联一个终端，所以会话当中的进程组就可以分为两类：

1. 一个前台进程组
2. 若干后台进程组

会话的主要作用就是进行终端资源管理：会话将进程组与控制终端绑定，确保终端资源（输入、输出、信号）被有序分配给前台进程组，避免多个进程同时争抢终端。

会话的生命周期与属于其的进程组相关，当会话中的进程组全部终止之后，会话就会结束。

若会话关联了控制终端，终端关闭时内核会向会话首进程发送 SIGHUP 信号（默认导致进程终止），并向前台进程组发送 SIGHUP 和 SIGCONT 信号。若这些进程因此终止，且会话中无其他进程组，则会话结束。

3. 守护进程

在 Unix/Linux 操作系统中，守护进程（Daemon） 是一类在后台长期运行的特殊进程，通常用于提供系统服务或周期性执行任务，不与用户直接交互，完全脱离终端控制。

特点：

• 后台运行：守护进程不占用终端，用户无法通过终端直接输入指令与其交互，其运行状态也不会干扰终端的正常使用。
• 脱离终端：守护进程与启动它的终端完全脱离，即使终端关闭（如用户退出登录），守护进程也能继续运行（不会收到终端关闭产生的 SIGHUP 信号）。
• 生命周期长：守护进程通常随系统启动而启动，随系统关闭而终止，在整个系统运行期间持续提供服务（如 Web 服务器 nginx、数据库服务 mysqld 等）。
• 无控制终端：守护进程没有控制终端（tty），其标准输入、输出、错误输出通常会被重定向到 /dev/null 或日志文件。

守护进程是系统服务的核心载体，常见用途包括：

• 网络服务：如 nginx（Web 服务器）、sshd（远程登录服务）、dnsmasq（DNS 服务）等，持续监听网络请求并响应。
• 系统管理：如 crond（定时任务服务）、systemd（系统进程管理器）等，负责周期性任务或系统资源管理。
• 后台处理：如日志收集进程、数据同步进程等，在后台默默处理系统或应用数据。

创建守护进程的核心就是让某个进程成为一个新会话的首进程。如此一来，只要守护进程不退出，会话就不会结束，守护进程就能长期存在。

3.1 setsid系统调用

在 Unix/Linux 系统中，setsid() 是一个核心的系统调用，主要用于创建一个新的会话，并让调用进程成为该会话的会话首进程。它是实现创建守护进程（进程脱离终端控制）的关键函数。

#include <unistd.h>
pid_t setsid(void);

返回值：

1. 成功时，返回新会话的 ID（即调用进程的 PID）。
2. 失败时，返回 -1，并设置 errno 指示错误原因（最常见的错误是 EPERM：调用进程已是某个进程组的组长）。

setsid() 有一个重要限制：调用进程不能是任何进程组的组长。 如果调用进程恰好是进程组组长（例如，直接在主进程中调用 setsid()），函数会调用失败（返回 -1，errno=EPERM）。

解决这个限制条件的常见做法就是在调用setsid前先调用fork函数，并让父进程立即退出。

3.2 创建守护进程的标准流程

1. 创建子进程，父进程退出：为调用setsid()做准备。
2. 创建新会话（setsid()）：脱离原终端的控制（原终端不再与该会话关联）。
3. 再次 fork 并退出父进程（可选但推荐）：孙子进程不再是会话首进程，确保它无法再打开新的控制终端（只有会话首进程能关联终端）。
4. 改变工作目录（可选）：将工作目录切换到根目录（/）或特定目录（如 /var/run），避免守护进程占用某个可卸载的文件系统（如挂载的 U 盘）。
5. 输入输出重定向（可选）：将继承的所有文件描述符（stdin、stdout、stderr 等）重定向到 /dev/null（“黑洞” 设备，丢弃所有输入输出）。

#pragma once
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>// 将进程切换为守护进程
int Daemon(int nochdir, int noclose)
{// 忽略管道关闭和子进程退出signal(SIGCHLD, SIG_IGN);signal(SIGPIPE, SIG_IGN);// 切换为孙子进程, 因为进程组组长无法调用setsidif (fork() > 0) exit(0);// 设置为独立的会话组if (setsid() == -1){return -1;}// 切换为孙子进程(不是新会话的首进程), 确保无法打开新的控制终端if (fork() > 0) exit(0);// 将工作目录切换为根目录if (!nochdir){chdir("/");}// 将标准输入、输出、错误重定向到/dev/nullif (!noclose){int fd = ::open("/dev/null", O_RDWR);if (fd == -1){return -1;}else{dup2(fd, 0);dup2(fd, 1);dup2(fd, 2);}}return 0;
}

当然，操作系统也为我们提供了对应的接口：

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

上面的接口就是仿照这个接口设计的，参数与返回值的含义都一样，就不过多介绍了。