【Linux笔记】Linux进程与守护进程

一、 进程组

1.1 进程组的本质

进程组：是一个或多个进程的集合，主要用于作业控制。

进程组具有以下特征：

• 唯一标识：每个进程组拥有一个进程组 ID（PGID），其数据类型与 PID 完全相同。

• 成员关系：一个进程组由一个或多个进程组成，组内进程共享同一个 PGID。

• 用途：主要用于作业控制中的信号分发和状态管理。

1.2 组长进程

组长进程：进程的 PID 等于其所在进程组的 PGID, 即PGID == PID时，该进程为组长。

组长进程的职责：

• 创建进程组：当某个进程首次被放入一个全新的进程组时，它自动成为该组的组长。

• 在组内派生子进程：子进程默认继承父进程的 PGID（本质是子进程PCB写实拷贝自父进程）。

进程组的生命周期：

• 起点：组长进程创建进程组的时刻。

• 终点：组内最后一个进程终止或转入其他进程组的时刻。

• 关键点：组长进程的终止并不意味着进程组消亡,只要组内仍有其他存活进程，进程组就继续存在。

1.3 示例解释

通常我们都是使用管道将多个进程编成一个进程组

hamber@VM-0-14-ubuntu:~$ sleep 100 | sleep 200 | sleep 300 & hamber@VM-0-14-ubuntu:~$ ps axj |head -1 && ps ajx | grep sleep | grep -v grep PPID PID PGID SID TTY TPGID STAT UID TIME COMMAND 281066 312705 312705 281066 pts/1 313057 S 1003 0:00 sleep 100 281066 312706 312705 281066 pts/1 313057 S 1003 0:00 sleep 200 281066 312707 312705 281066 pts/1 313057 S 1003 0:00 sleep 300

在 Shell 中执行ps -o pid,pgid,ppid,comm | cat时：

ps -o pid,pgid,ppid,comm | cat PID PGID PPID COMMAND 281066 281066 281058 bash 310950 310950 281066 ps 310951 310950 281066 cat bash (PID=281066, PGID=281066) ├── ps (PID=310950, PGID=310950) ← 组长，PGID 等于自身 PID └── cat (PID=310951, PGID=310950) ← 加入 ps 所在的进程组

二、会话

2.1 会话的本质

会话：是比进程组更高一层的抽象，它是一个或多个进程组的集合。

会话的设计目的是将一次完整的用户登录交互（从登录到退出）所涉及的所有进程组织在一起。

2.2 会话的完整生命周期

将一次完整的用户登录交互（从登录到退出）所涉及的所有进程组织在一起。

这期间发生的所有事情构成了"一次完整的交互"，它包括：

- Shell 本身（bash/zsh） - 你执行的每一条命令及其子进程（vim file.txt、gcc main.c、make） - 管道链中的所有进程（cat log | grep error | sort | uniq -c） - 后台运行的任务（sleep 3600 &、find / -name "*.tmp" &） - 被 Ctrl+Z 挂起后尚未恢复的作业 - 甚至是你启动的子 Shell（bash 嵌套调用）

它们都有一个共同的身份标签：它们都是"这次登录"产生的，会话就是用来给这批进程贴上同一个标签的容器。

当你在终端上执行ssh user@server登录后，到最终exit退出为止。

用户 ssh 登录 │ ▼ login/sshd 创建新会话 (setsid) │ SID = Shell PID │ 绑定控制终端 /dev/pts/N │ ├── 用户执行各种命令（进程不断创建、终止） ├── 进程组不断创建、消亡 ├── 前台进程组反复切换 │ ... 可能持续数小时、数天 ... │ ▼ 用户 exit / 关闭终端 / 网络断开 │ ▼ 控制终端释放 SIGHUP 发送给会话首进程 会话内所有进程收到清理信号 最后一个进程退出 → 会话消亡

三、控制终端

3.1 控制终端的认识

控制终端是：一个与会话绑定的终端设备

每个会话最多拥有一个控制终端，每个控制终端也最多被一个会话所控制。

终端设备：由内核管理的、带有输入输出处理管线的双向字符流通道。

关键点：

• 控制终端不是终端设备本身的属性，而是会话的属性

• 例如：对同一个/dev/pts/0设备文件，在被某个会话设为控制终端时才是"控制终端";在没有会话绑定它时，它只是一个普通的字符设备。

对于同一个/dev/pts/0设备文件而言：

普通打开终端设备 作为控制终端 ───────────────── ──────────────── open("/dev/pts/0", O_RDWR) 通过特定机制建立控制关系 仅获得一个文件描述符 会话获得信号路由能力 无特殊内核行为 内核自动分发 SIGINT/SIGTSTP/SIGHUP 任何进程都可以打开 仅会话首进程可以建立（或继承） 关闭 fd 即断开 需要显式脱离或会话终结才断开

控制终端与会话：

会话 (SID) │ ├── 控制终端（最多一个） │ ├── 控制进程 = 会话首进程 │ ├── 前台进程组（同一时刻最多一个） │ └── 后台进程组（零个或多个） │ └── 信号分发规则： ├── Ctrl+C → SIGINT → 前台进程组所有成员 ├── Ctrl+\ → SIGQUIT → 前台进程组所有成员 ├── Ctrl+Z → SIGTSTP → 前台进程组所有成员 └── 终端断开 → SIGHUP → 控制进程（会话首进程）

3.2 进程组的分类

在一个会话内部，进程组并非平级罗列，而是根据其与控制终端的关系被严格划分为：

• 前台进程组

• 后台进程组

3.2.1 前台进程组

定义：当前正在"使用"控制终端的那个进程组，在同一时刻，一个会话中有且仅有一个前台进程组。

前台进程组核心特征：

• 可以从控制终端读取输入（read()、fgets()等不会被阻塞或拒绝）。

• 向控制终端写入输出时不受限制。

• 接收来自终端的信号：Ctrl+C → SIGINT，Ctrl+Z → SIGTSTP，Ctrl+\ → SIGQUIT。

典型场景：

你在 Shell 中输入vim file.txt并回车，Shell 将vim所在的进程组设为前台进程组。此时你的键盘输入直接送达vim，Ctrl+C 也是发给vim。

3.2.2 后台进程组

定义：属于某个会话，且不是该会话当前前台进程组的所有进程组，都是后台进程组。

类比理解：

场景：“老师上课” 1. 会话 = 一个班级。 - 例如：“高三一班”，所有在这个班里的人和事，都属于这个会话。 2. 前台进程组 = 当前正在被老师“点名提问”的那个同学。 - 只有这个同学能直接跟老师对话（接收键盘输入），他的回答全班都能听到（输出到屏幕）。 - 此时，全班同学的目光和注意力都集中在他身上。 3. 后台进程组 = 班里其他所有正在埋头做题的同学。

• "属于某个会话" = 他们都是"高三一班”的人（同一班级）。

• "且不是该会话当前前台进程组"= 只要这个同学现在没有被老师点名站起来回答问题。

• "都是后台进程组"= 那无论他在做数学卷子、在翻书、还是在发呆，他都属于"后台”状态。

后台进程组的限制：

• 不能从控制终端读取输入。

  • 如果尝试read()，内核会向该进程组发送 SIGTTIN 信号，默认行为是暂停进程（SIGSTOP 效果）。

  • 这是为了防止后台进程偷偷抢走用户的键盘输入。

• 写入控制终端通常被允许，但可以通过stty tostop禁止。

  • 若禁止后后台进程尝试写终端，内核发送 SIGTTOU 信号，同样导致暂停。

  • 这避免了后台输出意外覆盖前台程序的界面。

• 不接收终端产生的信号。

  • Ctrl+C 只影响前台进程组，后台进程组完全不受影响。

四、作业控制

4.1 作业的认识

作业：是针对Shell在用户层面的概念，表示用户为完成某项任务而启动的一个或多个进程的集合，进程间互相协作完成任务。

例如：作业通常是一个进程管道

# 这是一个作业，包含三个进程，前台执行 cat access.log | grep "404" | wc -l # 后台执行作业 cat access.log | grep "404" | wc -l & # 输出示例：[1] 2345 # [1] 是作业号（Job Number），2345 是组长进程的 PID

作业与进程组：作业与进程组相等于一枚硬币的两面。

• 对于用户层面而言，进程组执行用户指定的任务被视为做作业

• 对于内核层面而言，进程组是作业的底层实现机制。

4.2 作业号与标识符

作业号：是 Shell 内部的小整数（1、2、3...），由 Shell 分配和管理。

hamber@VM-0-14-ubuntu:~$ jobs ↓ 作业号 [1]- Running sleep 1 | sleep 2 | sleep 10 & [2]+ Running sleep 1 | sleep 2 | sleep 12 &

标识符：%

%符号用于引用作业：

• %1、%2：按编号引用。

• %+或%%：当前默认作业（最近被放入后台或挂起的作业）。

• %-：上一个默认作业（当前默认作业之前的那个）。

4.3 作业状态转换

Start command （启动命令） │ | ▼ 前台运行 暂停运行 ┌────────────┐ Ctrl+Z (SIGTSTP) ┌──────────┐ │ Foreground │ ──────────────────────→ │ Stopped │ │ (Running) │ └──────────┘ └────────────┘ │ │ │ & │ fg / bg + SIGCONT ▼ ▼ 后台启动 前台恢复 ┌────────────┐ ┌──────────────┐ │ Background │ ←────────────────── │ Foreground │ │ (Running) │ fg %N │ (Resumed) │ └────────────┘ └──────────────┘ │ │ 正常退出或被信号终止 ▼ ┌───────────┐ │ Completed │ └───────────┘

4.4 作业相关命令

五、守护进程

5.1 守护进程的认识

守护进程：存在于独立的会话中，脱离原有的控制终端，是在后台长期运行的特殊进程。

守护进程的典型特征：

• 没有控制终端，独立于用户登录会话。

• 不产生终端输出，日志写入文件或系统日志。

• 生命周期很长，往往伴随整个系统运行周期。

• 命名惯例：进程名以d结尾（如sshd、httpd、crond、syslogd）。

需要守护进程化的原因：

以网络服务器为例：

• 若服务器进程直接由用户终端启动，当用户关闭终端或 SSH 断开时，SIGHUP 信号会终止服务器。

• 守护进程化使服务器脱离任何终端和会话，不再受用户登录状态影响。

5.2 守护进程化的步骤

5.2.1 第一步：忽略特定信号

signal(SIGCHLD, SIG_IGN); // 忽略子进程退出信号，由内核进行回收子进程，避免僵尸进程 signal(SIGPIPE, SIG_IGN); // 忽略管道断裂信号，避免 write 导致进程终止

忽略特定信号SIGCHLD的原因：

守护进程的核心特征是长期运行且无交互，它通常在主循环中处理业务逻辑（如接受网络连接、处理定时任务），而不是在一个专门的"子进程回收循环"中等待。

SIGCHLD：默认动作是 SIG_DFL，而 SIG_DFL 对 SIGCHLD 的语义是"不做任何事"。

这意味着内核不会自动回收子进程，显式忽略后，内核会自动回收子进程资源，无需父进程调用wait()。

忽略特定信号SIGPIPE的原因：

在一个网络服务器（守护进程），如果用户关闭客户端，而此时服务端还在向客户端写入时，会触发SIGPIPE信号，导致服务端进程被信号杀死，从而引起服务器进程被关闭。

SIGPIPE：当向已关闭读端的管道或 socket 写入时触发。

忽略后，write()返回 -1 并设置errno = EPIPE，程序可自行处理错误而非直接崩溃。

5.2.2 第二步：fork 并让父进程退出

pid_t pid = fork(); if (pid < 0) { perror("fork"); exit(EXIT_FAILURE); } if (pid > 0) { // 父进程退出 exit(EXIT_SUCCESS); } // 此后代码仅在子进程中执行

核心目的: 让子进程能够创建新会话，创建新会话的前提是当前进程不是进程组长（PID = PGID）

• 确保子进程不是进程组组长。

• 子进程 PID 是新的，而 PGID 继承自父进程，PGID 是进程组长的PID，因为PID具有唯一性，所以子进程的PID不可能等于PGID

• 因为父进程退出，子进程被 init 进程（PID=1）收养，成为孤儿进程，不会导致僵尸进程。

5.2.3 第三步：创建新会话

pid_t sid = setsid(); if (sid < 0) { perror("setsid"); exit(EXIT_FAILURE); }

创建新会话后的效果：

• 子进程成为新会话的首进程（SID = PID）。

• 子进程成为新进程组的组长（PGID = PID）。

• 彻底脱离原控制终端。

• 此时该进程不再属于任何终端会话，Ctrl+C、Ctrl+Z、终端关闭都不会影响它。

5.2.4 更改工作目录

将守护进程的工作路径放置在根目录下

if (chdir("/") < 0) { perror("chdir"); exit(EXIT_FAILURE); }

5.2.5 重置文件描述符

守护进程存在于独立的会话中失去了控制终端，但失去控制终端 ≠ 文件描述符自动关闭。

fd 0/1/2 仍然打开着，仍然指向原来的设备节点，这可能导致的问题：

• 阻止终端/文件系统卸载，只要守护进程持有这些 fd，原有对应的设备或文件系统就无法被释放或卸载

• 写入已失效的终端导致不可预测行为

• 第三方库的隐式 I/O

将守护进程的文件描述符重定向到 /dev/null的原因：

• 写入即消失：所有重定向或写入到该 /dev/null 文件的数据，都会被操作系统内核直接丢弃，不占用任何磁盘空间。

• 读取即空：如果你尝试从它里面读取内容，它会立刻返回一个" 文件结束符（EOF）"，即什么都读不到。

// 方式一：关闭后重定向到 /dev/null int fd = open("/dev/null", O_RDWR); if (fd != -1) { dup2(fd, STDIN_FILENO); // fd 0 → /dev/null dup2(fd, STDOUT_FILENO); // fd 1 → /dev/null dup2(fd, STDERR_FILENO); // fd 2 → /dev/null close(fd); //关闭fd文件描述，此时/dev/null存在标准输入 fd=0、标准输出 fd=1、标准错误fd=2, 进行指向，引用计数为3。 }

5.3 完整的守护进程化函数实现

// Daemon.hpp #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <signal.h> #include <fcntl.h> #include <sys/stat.h> void Daemon() { // 1. 忽略可能干扰的信号 signal(SIGCHLD, SIG_IGN); signal(SIGPIPE, SIG_IGN); // 2. fork，父进程退出 pid_t pid = fork(); if (pid < 0) { exit(EXIT_FAILURE); } if (pid > 0) { exit(EXIT_SUCCESS); } // 3. 创建新会话，脱离控制终端 if (setsid() < 0) { exit(EXIT_FAILURE); } // 4. 更改工作目录 if (chdir("/") < 0) { exit(EXIT_FAILURE); } // 5. 重置文件描述符到 /dev/null int fd = open("/dev/null", O_RDWR); //读写的方式打开 if (fd != -1) { dup2(fd, STDIN_FILENO); dup2(fd, STDOUT_FILENO); dup2(fd, STDERR_FILENO); if (fd > STDERR_FILENO) { close(fd); } } }

六、总结

用户登录 │ ▼ 创建会话 (Session) │ SID = Shell 的 PID │ 控制终端 = /dev/pts/N │ ├── Shell 进程（会话首进程 / 控制进程） │ PGID = PID = SID │ ├── 前台进程组（同一时刻最多一个） │ 接收 Ctrl+C / Ctrl+Z 信号 │ 可读写终端 │ ├── 后台进程组 1 │ 不接收终端信号 │ └── 后台进程组 2 不接收终端信号 守护进程： 通过 fork + setsid 脱离上述h结构 无会话归属（或自建新会话） 无控制终端 不受任何用户操作影响 独立运行直至系统关闭或手动终止