Linux-进程间关系与守护进程

一、进程组

1.1 什么是进程组

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。

C++
$ ps 查看进程的信息

# -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
# -a 选项表示不仅列当前⽤户的进程，也列出所有其他⽤户的进程
# -x 选项表示不仅列有控制终端的进程，也列出所有⽆控制终端的进程
# -j 选项表示列出与作业控制相关的信息

int main()
{
    while(true)
    {
        std::cout<<"I am a process pid:"<<getpid()<<std::endl;
        sleep(1);
    }
    return 0;
}

我们发现尽管时单进程，这个进程也拥有自己的进程组，而进程组id就是单进程的pid

int main()
{
    pid_t id = fork();
    if (id == 0)
    {
        while (true)
        {
            std::cout << "I am child process pid:" << getpid() << std::endl;
            sleep(1);
        }
    }
    std::cout << "I am father process pid:" << getpid() << std::endl;
    sleep(100);
    return 0;
}

接下来我们又创建了一个子进程，我们发现父子进程都是属于一个进程组的，并且进程组id是父进程的pid，因为父进程是这个进程组的第一个进程。在我们写的多进程程序中，都是以进程组的方式来执行任务的

1.2 组长进程

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。我们可以通过 ps 命令看到组长进程的现象：

Shell
[node@localhost code]$ ps -o pid,pgid,ppid,comm | cat
# 输出结果
PID PGID PPID COMMAND
2806 2806 2805 bash
2880 2880 2806 ps
2881 2880 2806 cat

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。

二、会话

2.1 什么是会话

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),会话ID一般为会话中第一个进程组的第一个进程的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

以我们登录Linux服务器为例，服务器内部一定是安装了系统的，当我们输入账号密码要登录的时候，系统首先会创建一个终端文件和一个与之关联的bash进程，而这个bash进程也是一个进程组，在Linux中终端文件一般保存在在 /dev/pts 目录下，我们可以将终端文件理解为我们输入命令的窗口（当前我一共打开了两个窗口），每打开一个窗口就会新创建一个文件

我们也可以查看一下系统中的bash进程，发现这两个bash进程属于不同的进程组和会话

2.2 如何创建会话

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。

#include <unistd.h>
/*
*功能：创建会话
*返回值：创建成功返回 SID, 失败返回-1
*/
pid_t setsid(void);

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，因为处于不同的会话了

需要注意的是：

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。

三、控制终端

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。
一个会话只能有一个前台进程组，但是可以有多个后台进程组
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。
前后台进程的显著区别是是否占用终端（或控制台）的输入输出资源。

证明：

默认情况下bash进程一般为前台进程组，假如我们执行了一个死循环打印的程序，这死循环中我们在终端中输入命令会发现bash进程并不会做出响应，这是因为当我们执行打印程序时，系统将我们的进程组设置为了前台进程组，bash进程暂时被设置为了后台进程组，而我们在终端输入的数据是给前台进程的所以bash就收不到我们的指令了，而当我们的程序终止时，bash进程会切换为前台进程，此时我们又可以正常执行指令了

四、作业控制

4-1 什么是作业(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

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。

4.2 作业号

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）。

我们可以直接通过输入 jobs 命令查看本用户当前后台执行或挂起的作业

▪ 参数 -l 则显示作业的详细信息

▪ 参数 -p 则只显示作业的 PID

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。

+ : 表示该作业号是默认作业
-：表示该作业即将成为默认作业
无符号：表示其他作业

4.3 作业控制

常见的作业状态如下表所示：

作业挂起

我们在执行某个作业时，可以通过 Ctrl+Z 键将该作业挂起，然后 Shell 会显示相关的作业号、状态以及所执行的命令信息。

作业切回

如果想将挂起的作业切回，可以通过 fg（front ground 前台）命令，fg 后面可以跟作业号或作业的命令名称。如果参数缺省则会默认将作业号为 1 的作业切到前台来执行，若当前系统只有一个作业在后台进行，则可以直接使用 fg 命令不带参数直接切回。具体的参数参考如下：

注意：当通过 fg 命令切回作业时，若没有指定作业参数，此时会将默认作业切到前台执行，即带有“+”的作业号的作业

五、守护进程

5.1 什么是守护进程

守护进程（Daemon Process）是在Unix和类Unix操作系统（如Linux）中运行的一种特殊类型的进程。它们通常在系统启动时自动启动，并在后台运行，执行一些诸如监控或管理其他进程、系统服务、网络服务等任务。

守护进程的主要特点包括：

后台运行：守护进程在后台运行，不占用终端。这意味着用户不能直接与守护进程交互，除非通过某种形式的进程间通信（IPC）机制，如管道、信号、消息队列等。
独立于终端：守护进程一旦启动，就与启动它的终端或会话无关。即使终端关闭或会话结束，守护进程也会继续运行。
生命周期：守护进程通常设计为在系统运行期间持续运行，除非遇到错误、系统重启或管理员明确停止。
日志记录：守护进程通常会记录其运行状态、错误和警告到系统日志中，以便于管理员监控和故障排查。
低优先级：守护进程通常具有较低的进程优先级，以避免它们占用过多系统资源，影响其他关键任务。
无控制终端：守护进程没有控制终端。这意味着它们不能直接从终端接收输入或输出到终端。

5.2 守护进程实现

创建子进程：父进程退出，子进程继续运行，避免该进程是一个进程组的组长，所以守护进程也是一种特殊的孤儿进程
创建新会话：子进程调用 setid() 创建新的会话，成为会话领头进程，脱离原来的控制终端。
改变工作目录：守护进程通常会改变其工作目录到根目录（/），以避免因非根目录不可访问而退出。
设置文件权限掩码：守护进程通常会调用umask设置合适的文件权限掩码，以避免创建的文件具有不恰当的权限。
关闭文件描述符：关闭文件描述符如标准输入、标准输出、标准错误，或者将他们重定向到 /dev/null 文件中，因为进程已经是守护进程了，不需要与用户关联了
/dev/null文件是一个特殊的字符类文件，当从这个文件中读取数据时什么也读不到，而当向这个文件写数据时，系统会默认丢弃

这里我们的参数ischdir和isclose是为了将是否改变进程的工作目录和关闭文件描述符暴露出来，供用户自己选择

#pragma once
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
const char *root = "/";
const char *dev_null = "/dev/null";
void Daemon(bool ischdir, bool isclose)
{
    // 1. 忽略可能引起程序异常退出的信号
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
    // 2. 让自己不要成为组长
    if (fork() > 0)
        exit(0);
    // 3. 设置让自己成为一个新的会话， 后面的代码其实是子进程在走
    setsid();
    // 4. 每一个进程都有自己的 CWD，是否将当前进程的 CWD 更改成为 /根目录
    if (ischdir)
        chdir(root);
    // 5. 已经变成守护进程啦，不需要和用户的输入输出，错误进行关联了
    if (isclose)
    {
        close(0);
        close(1);
        close(2);
    }
    else
    {
        // 这里一般建议就用这种
        int fd = open(dev_null, O_RDWR);
        if (fd > 0)
        {
            dup2(fd, 0);
            dup2(fd, 1);
            dup2(fd, 2);
            close(fd);
        }
    }
}

5.3 如何将服务守护进程化

// ./server port
int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2)
    {
        std::cout << "Usage : " << argv[0] << " port" << std::endl;
        return 0;
    }
    uint16_t localport = std::stoi(argv[1]);
    Daemon(false, false);
    std::unique_ptr<TcpServer> svr(new TcpServer(localport,
                                                 HandlerRequest));
    svr->Loop();
    return 0;
}

此时服务端已经在后台开始运行，我们发现客户端可以正常进行业务处理