【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

复制代码

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：

复制代码

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：

复制代码

- 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。

复制代码

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：

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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：

复制代码

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：

复制代码

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

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# 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。

复制代码

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

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   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

命令	功能
`command &`	在后台启动作业
`Ctrl+Z`	挂起当前前台作业（发送 SIGTSTP 给前台进程组）
`jobs`	列出当前 Shell 的所有作业及其状态
`jobs -l`	列出作业及其所有进程的 PID
`jobs -p`	仅列出组长进程的 PID
`fg %N`	将第 N 号作业调回前台继续执行
`bg %N`	让第 N 号已停止的作业在后台继续执行（发送 SIGCONT）
`kill %N`	向第 N 号作业的所有进程发送 SIGTERM

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

复制代码

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

复制代码

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

复制代码

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

复制代码

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。

复制代码

// 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

复制代码

// 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

复制代码

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

【Linux笔记】Linux进程与守护进程

一、 进程组

1.1 进程组的本质

1.2 组长进程

1.3 示例解释

二、会话

2.1 会话的本质

2.2 会话的完整生命周期

三、控制终端

3.1 控制终端的认识

3.2 进程组的分类

3.2.1 前台进程组

3.2.2 后台进程组

四、作业控制

4.1 作业的认识

4.2 作业号与标识符

4.3 作业状态转换

4.4 作业相关命令

五、守护进程

5.1 守护进程的认识

5.2 守护进程化的步骤

5.2.1 第一步：忽略特定信号

5.2.2 第二步：fork 并让父进程退出

5.2.3 第三步：创建新会话

5.2.4 更改工作目录

5.2.5 重置文件描述符

5.3 完整的守护进程化函数实现

六、总结

一、进程组