Linux 系统编程学习笔记

目录

• 终端
  • 终端的基本概念
  • 终端登录过程
  • 网络登录过程
• 作业控制
  • Session与进程组
  • 与作业控制有关的信号
• 守护进程
• 参考

终端

终端的基本概念

每个进程都可以通过一个特殊设备文件/dev/tty访问它的控制终端，每个终端设备都对应一个不同的设备文件，/dev/tty 提供了一个通用的接口，一个进程要访问它的控制终端即可以通过/dev/tty，也可以通过该终端设备所对应的设备文件来访问。
ttyname函数可以由文件描述符查出对应的文件名，该文件描述符必须指向一个终端设备而不能是任意文件。

例，查看终端对应的设备文件名

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
  printf("fd 0: %s
", ttyname(0));
  printf("fd 1: %s
", ttyname(1));
  printf("fd 2: %s
", ttyname(2));
  return 0;
}

图形终端窗口下运行这个程序，可能得到

$ ./a.out
fd 0: /dev/pts/0
fd 1: /dev/pts/0
fd 2: /dev/pts/0

再打开一个终端串口运行程序，

$ ./a.out
fd 0: /dev/pts/1
fd 1: /dev/pts/1
fd 2: /dev/pts/1

用Ctrl-Alt-F1切换到字符终端运行程序，

$ ./a.out
fd 0: /dev/tty1
fd 1: /dev/tty1
fd 2: /dev/tty1

终端登录过程

一台PC只有一套键盘和显示器（一套终端设备），但可以通过Ctrl-Alt-F1~F6 切换到6个字符终端，相当于6套虚拟的终端设备，共用一套物理终端设备，对应设备文件分别是/dev/tty1~6，称为虚拟终端（Virtual Terminal）。
/dev/tty0 表示当前虚拟终端，Ctrl-Alt-F2切换到字符终端时，/dev/tty0就代表/dev/tty2。/dev/tty0是一个通用接口，但不能表示图形终端窗口所对应的终端。

嵌入式Linux通过串口连接目标板，串口对应终端设备/dev/ttyS0, /dev/tty1等。可通过Linux minicom或Windows终端工具登录到目标板系统，Windows推荐使用Tera Term。


终端设备模块示意图

硬件驱动程序：负责读写实际的硬件设备，如从键盘读入字符，把字符输出到显示器；
line discipline 线路规程：像一个过滤器，对于某些特殊字符不是直接让其通过，而是做特殊处理，如按键Ctrl-Z，对应字符不会被用户程序read，而是被线路规程截获，解释成SIGTSTP信号发给前台进程，默认使其停止。不过，线路规程应该过滤哪些字符，做哪些特殊处理是可以配置的。


终端缓冲示意图

终端设备都有输入输出队列缓冲区。
以输入队列为例，从键盘输入的字符经线路规程过滤后进入输入队列，用户程序以先进先出的顺序从队列中读取字符。当输入队列满时，再输入字符会丢失，同时系统会响铃警报。
回显（Echo）模式：终端可配置成回显模式，输入队列中每个字符既送给用户程序，也送给输出队列，因此在命令行键入字符时，字符可以程序读取，同时也可以在屏幕上看到该字符的回显。

终端登录的过程

1. 系统启动时，init进程根据配置文件/etc/inittab确定需要打开哪些终端
   如配置文件中这样一行：

1:2345:respawn:/sbin/getty 9600 tty1

和/etc/passwd类似，每个字段用 : （冒号）隔开。
1 - 这一行的配置id，通常和tty的后缀一致，如果是配置tty2那一行id应该是2；
2345 - 表示运行级别2~5都执行该配置；
respawn - 表示init进程会监视getty进程的运行状态，一旦该进程终止，init会再次fork/exec该命令，因此退出终端登录后会再次提示输入账号；
/sbin/getty 9600 tty1 - init进程要fork/exec的命令，打开终端/dev/tty1，波特率9600，然后提示用户输入账户； （问题：提示用户输入账户是改行的作用，还是下一行？）

注：有些新版Linux已经不用/etc/inittab，如Ubuntu用/etc/event.d目录下的配置文件

2. getty根据命令行参数打开终端设备作为它的控制终端，把文件描述符0、1、2都指向控制终端，然后提示用户输入账号。用户输入账户后，getty任务就完成了，它再执行login程序：

execle("/bin/login", "login", "-p", username, NULL, envp);

3. login 程序提示用户输入密码（输入密码期间关闭终端回显），然后验证账号密码的正确性。如果密码不正确，init重新fork/exec一个getty进程。如果密码正确，login程序设置一些环境变量，设置当前工作目录为该用户的主目录，然后执行shell

execl("/bin/bash", "-bash", NULL);

/bin/bash - 要启动的程序路径；
-bash - 告诉bash自己是作为登录Shell启动的，执行Shell的启动脚本/etc/profile，然后是用户主目录下面的~/.bash_profile, /.bash_login和/.profile。

小结
启动过程： 从/etc/inittab启动init进程 -> getty 打开终端设备，提示输入账户 -> login 提示用户输入密码，登录系统

网络登录过程

虚拟终端或串口终端的数目有限，虚拟终端一般是/dev/tty1~6个。
串口终端的数目 <= 串口数目（硬件）。网络终端、图形终端窗口数目不受限制，因为是通过伪终端（Pseudo TTY）实现。
一套伪终端由一个主设备（PTY Master）和一个从设备（PTY Slave）组成。主设备概念上相当于键盘和显示器，不过并不是真正的硬件而是一个内核模块，操作者不是用户而是另外一个进程。底层驱动程序访问的不是硬件，而是主设备。网络终端或图形终端窗口的Shell进程以及它启动的其他进程，都会认为自己的控制终端是伪终端从设备，如/dev/pts/0, /dev/pts/1等。

以telnet为例，说明网络终端登录和使用过程

步骤：

1. 用户通过telnet客户端连接服务器。
   如果服务器配置为独立（Standalone）模式，则在服务器监听连接请求是一个telnetd进程，它fork一个telnetd子进程服务客户端，父进程负责监听其他连接请求。
   另外一种情况：服务器端由系统服务程序inetd或xinetd监听连接请求，inetd称为internet Super-Server，它监听系统中多个网络服务端口，如果连接请求的端口号和telnet服务端口号一致，则fork/exec一个telnetd子进程来服务客户端。xinetd是inetd升级版本，配置更灵活。

2. fork、exec /bin/login、/exec /bin/bash
   telnetd子进程打开一个伪终端设备，然后再经过fork一分为二：父进程操作伪终端主设备，子进程将伪终端从设备作为它的控制终端，并且将文件描述符0、1、2指向控制终端，二者通过伪终端通信，父进程还负责和telnet客户端通信，子进程负责用户的登录过程，提示输入账户，然后调用exec变成login进程，然后调用exec变成Shell进程。这个Shell进程认为自己的控制终端是伪终端设备。
   伪终端主设备可以看作键盘、显示等硬件，操作伪终端的“用户”就是父进程telnetd。

3. 当用户输入命令时，telnet客户端将用户输入的字符通过网络发给telnetd服务器，由telnetd服务器代表用户将这些字符输入伪终端。
   Shell进程不知道自己连接的是伪终端，而是不是键盘、显示器等硬件，也不知道操作终端的“用户”是telnetd服务器，而不是真正的用户。Shell解释执行命令，将标准输出和标准错误输出写到终端设备，这些数据是最终由telnetd服务器发回给telnet客户端，然后显示给用户看。

设备文件：
BSD系列UNIX在/dev目录下创建很多ptyXXX和ttyXX设备文件，XX由字母和数字组成，ptyXX是主设备，ttyXX是从设备，伪终端的数目取决于内核的配置。
SYS V系列的UNIX上，伪终端主设备是/dev/ptmx，"mx"表示Multiplex，多个主设备复用同一个设备文件，每打开一次/dev/ptmx，内核就分配一个主设备，同时在/dev/pts目录下创建一个从设备文件，当终端关闭时，就从/dev/pts目录下删除相应的从设备文件。
Linux支持上面2种伪终端，目前标准倾向于SYS V的。

作业控制

Session与进程组

Shell分前后台来控制的不是进程而是作业（Job），或者进程组（Process Group）。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（Job Control）

例，命令启动5个进程

$ proc1 | proc2 &
$ proc3 | proc4 | proc5

proc1, proc2属于同一个后台进程组；proc3, proc4, proc5属于同一个前台进程组。这些进程组的控制终端相同，属于同一个Session。当用户键入Ctrl-C时，内核发送SIGINT给前台进程组的所有进程。

各进程、进程组、Session的关系：

从Session和进程组的角度来看登录和执行命令的过程：

1. setsid()创建Session Leader，同时创建进程组
   getty/telnetd进程在打开终端设备之前，调用setsid函数创建一个新的Session，该进程称为Session Leader，该进程id也可以看做Session的id，然后该进程打开终端设备作为这个Session中所有进程的控制终端。在创建新Session的同时，也创建了一个新的进程组，该进程是这个进程组的Process Group Leader该进程的id也是进程组的id。

2. 登录过程Session Leader不随进程改变而改变
   登录过程中，getty或telnetd进程变成login，然后变成Shell，但仍然是同一个进程，仍然是Session Leader。

3. setpgid()设置新进程组Leader，并加入组员。tcsetpgrp设置前台进程组。
   Shell进程fork出的子进程本来具有和Shell相同的Session、进程组和控制终端，但Shell调用setpgid()将作业中的某个子进程指定为一个新进程组Leader，然后调用setpgid将该作业中其他的子进程也转移到这个进程组中。如果这个进程组需要在前台运行，就调用tcsetpgrp函数将它设置为前台进程组，由于一个Session只能有一个前台进程组，所以Shell所在的进程组就自动变成后台进程组。

作业和进程组的区别
上面例子中，proc3、4、5被Shell放到同一个前台进程组，其中一个是该进程组的Leader，Shell调用wait等待它们运行结束。一旦运行结束，Shell就调用tcsetpgrp将自己提到前台继续接受命令。
如果pro3、4、5某个进程又fork子进程，子进程属于同一进程组，但Shell不知道子进程存在，因此不会调用wait等待其结束。也就是说，proc3、4、5是Shell的作业，而子进程不是。

简而言之，由Shell fork出来的进程组分为前后台进程组，属于作业；而进程创建的子进程属于进程组，但不属于作业。判断依据是Shell是否知道该进程的存在。

如何查看进程、进程组的关系？
使用ps命令查看前台进程

$ ps -o pid,ppid,pgrp,sesion,tpgid,comm | cat
PID PPID PGRP SESS TPGID COMMAND 
6994 6989 6994 6994 8762 bash 
8762 6994 8762 6994 8762 ps 
8763 6994 8762 6994 8762 cat

该作业由ps、cat 2个进程组成，前台运行。
PPID列 => ps、cat父进程是bash
PGRP => bash在id为6994的进程组 = bash进程id => bash是进程组Leader；2个子进程ps、cat在id为8762的进程组 = ps进程id => ps是进程组Leader
SESS列 => 三个进程都在同一Session，id=bash进程id => bash为Session Leader
TPGID列 => 前台进程组id=8762 = 2个进程所在进程组

使用ps命令查看后台进程

$ ps -o pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm | cat &
[1] 8835
$ PID PPID PGRP SESS TPGID COMMAND 
6994 6989 6994 6994 6994 bash 
8834 6994 8834 6994 6994 ps 
8835 6994 8834 6994 6994 cat

该作业由ps、cat 2个进程组成，在后台运行，bash不等作业结束就打印"[1] 8835"，然后打印 "$" 命令提示符，"[1]"是作业编号，如果同时运行多个作业，可以用编号区分，8835是该作业中某个进程id。

与作业控制有关的信号

$ cat &
[1] 9386
$ 回车

[1]+  Stopped             cat

将cat放到后台运行，由于cat需要读标准输入（终端），后台进程不能读终端输入，因此内核发SIGTTIN信号给进程，信号默认处理动作是停止进程。

$ jobs # 查看当前作业
[1]+  Stopped             cat
$ fg %1 # 将第1个作业提至前台，向停止作业发送SIGCONT信号，继续运行改作业
cat
hello 回车
hello
^Z # Ctrl-Z
[1]+ Stopped              cat

jobs命令查看当前有哪些作业。
fg命令可以将某个作业提至前台运行，如果该作业的进程组正在后台运行，则提至前台运行；如果该作业处于停止状态，则给进程组的每个进程发送SIGCONT信号，使它继续运行。参数%1表示将第1个作业提至前台运行。cat提至前台运行后，挂起等待终端输入，当输入hello并回车后，cat打印出同样的一行，然后继续挂起等待输入。
如果输入Ctrl-Z（上面的^Z），则向所有前台进程发SIGTSTP信号，该信号的默认动作是使进程停止。

$ bg %1
[1]+ cat &

[1]+ Stopped              cat

bg命令可以让某个停止的作业在后台继续运行，也需要给该作业的进程组的每个进程发SIGCONT信号。cat进程继续在后台运行，但是无法从终端输入，所以又收到SIGTTIN信号停止。

kill前台进程组已停止进程

$ ps 
PID TTY TIME CMD 
 6994 pts/0 00:00:05 bash
11022 pts/0 00:00:00 cat
11023 pts/0 00:00:00 ps
$ kill 11022 # 给一个停止的进程发SIGTERM信号不立即处理，等进程准备继续运行之前处理，默认动作是终止进程
$ ps PID TTY TIME CMD 
 6994 pts/0 00:00:05 bash
11022 pts/0 00:00:00 cat
11024 pts/0 00:00:00 ps
$ fg %1
cat
Terminated

kill后台进程组已停止进程

$ cat &
[1] 11121
$ ps 
PID TTY TIME CMD
 6994 pts/0 00:00:05 bash
11121 pts/0 00:00:00 cat
11122 pts/0 00:00:00 ps

[1]+ Stopped      cat
$ kill -KILL 11121 # 向一个已停止进程发送SIGKILL信号
[1]+ Killed       cat

SIGKILL信号不能呗阻塞也不能被忽略，也不能用自定义含义捕捉，只能按系统默认动作立刻处理。类似信号还有SIGSTOP，会使得进程停止，而且默认处理动作不能改变。 ----- 这样的设计，能确保不管什么样的进程出现异常，系统管理员总是一部分可以利用SIGKILL终止或SIGSTOP停止可能有问题的进程。

后台进程不能从终端读，否则会收到SIGTTIN停止；不过，允许后台进程向终端写。可以设置一个终端选项禁止后台进程写：

$ cat testfile &
[1] 11426
$ hello

[1]+ Done          cat testfile
$ stty tostop
$ cat testfile &
[1] 11428

[1]+ Stopped       cat testfile
$ fg %1
cat testfile
hello

1. stty命令设置终端选项，禁止后台进程写；
2. 启动一个后台进程准备往终端写；
3. 进程收到一个SIGTTOUU信号，默认处理当作是停止进程；

守护进程

Linux在系统启动会时启动很多系统服务进程，这些系统服务没有控制终端，不与用户交互，仅在系统关闭时才终止，这样的进程就叫守护进程（daemon）。
UNIX系统有很多守护进程，名称通常以字母“d”结尾（Daemon。例如，syslogd 就是指管理系统日志的守护进程。通过ps命令 ps -efj的输出实例，查看守护进程，内核守护进程的名字出现在方括号中。

参考什么是守护进程？| 知乎

$ ps axj
 PPID PID PGID SID TTY TPGID STAT UID TIME COMMAND
 0    1    1    1   ?   -1    Ss   0  0:01 /sbin/init
 0    2    0    0   ?   -1    S<   0  0:00 [kthreadd]
 2    3    0    0   ?   -1    S<   0  0:00 [migration/0]
 2    4    0    0   ?   -1    S<   0  0:00 [ksoftirqd/0]
......
 1 2373 2373 2373   ?   -1    S<s  0  0:00 /sbin/udevd --daemon
......
 1 4680 4680 4680   ?   -1    Ss   0  0:00 /usr/sbin/acpid -c /etc
......
 1 4808 4808 4808   ?   -1    Ss 102  0:00 /sbin/syslogd
......

TPGID=-1 => 进程没有控制终端，也就是守护进程。
Command列 - 用[]括起来的名字表示内核线程，在内核里创建，没有用户空间代码，因此没有程序文件名和命令行，通常以k开头的名字，表示Kernel。
init进程 - Linux第一个用户级进程，有许多重要任务，如启动getty（用户登录）、实现运行级别、处理僵尸进程。
udevd进程 - 负责维护/dev目录下设备文件。
apcid进程 - 负责电源管理。
syslogd - 负责维护/var/log下日志文件

如何创建守护进程？
调用setsid函数创建新Session，并成为Session Leader。
核心点：调用setsid前，确保当前进程不是进程组Leader。

#include <unistd.h>
// 创建Session
// 成功返回新Session id，出错返回-1
// 调用该函数前，当前进程不允许是进程组的Leader，否则出错
pid_t setsid(void);

如何保证当前进程不是进程组的Leader？
只要先fork再调用setsid。fork创建的子进程和父进程在同一个进程组，进程组的Leader必然是该组的第一个进程，因此子进程不可能是该组的第一个进程，而在子进程中调用setsid也就没有问题。

调用setsid成功的结果：

• 创建一个新Session，当前进程成为Session Leader，当前进程的id就是Session的id；
• 创建一个新的进程组，当前进程成为进程的Leader，当前进程的id就是进程组的id；
• 如果当前进程原本有一个控制终端，则失去该终端，成为一个没有控制终端的进程。所谓失去控制终端是指，原来的控制终端仍然是打开的，也可以读写，但是只是一个普通的打开文件而不是控制终端了；

例，创建守护进程

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#inlcude <fcntl.h>

void daemonize(void) {
  pid_t pid;
  if ((pid = fork()) < 0) {
    perror("fork");
    exit(1);
  }
  else if (pid != 0) { // parent
    exit(0);
  }
  else { // child
    setsid(); // fork之后再调用setsid，能确保当前进程不是Leader
    
    // 改变当前工作目录到root
    if (chdir("/") < 0) {
      perror("chdir");
      exit(1);
    }
    
    // 下面语句的作用是将文件描述符（fd）0/1/2重定向到/dev/null
    close(0); // 0 标准输入；1 标准输出； 2 标准报错。关闭fd=0文件描述符，下次open默认分配fd=0
    open("/dev/null", O_RDWR); // 特殊文件，读出来的所有值都是0，写进去的所有值都会被丢弃。默认分配fd=0
    dup2(0, 1);
    dup2(0, 2);
  }
}

int main() {
  daemonize();
  while(1);
}

要点：

• 为确保调用setsid的进程不是进程组leader，先fork子进程，父进程退出，子进程再调用setsid创建新Session，成为守护进程；
• 按守护进程惯例，通常将当前工作目录切换到根目录；
• 将文件描述符0/1/2重定向到/dev/null；

Linux提供库函数daemon(3)实现上面的daemon函数功能，，不过带2个参数指示要不要切换工作目录到根目录，以及要不要把文件描述符0/1/2重定向到/dev/null。

$ ./a.out
$ ps
  PID TTY TIME CMD
11494 pts/0 00:00:00 bash
13271 pts/0 00:00:00 ps
$ ps xj | grep a.out
    1 13270 13270 13270 ?        -1 Rs 1000 0:05 ./a.out
11494 13273 13272 11494 pts/0 13272 S+ 1000 0:00 grep 
a.out
（关闭终端窗口重新打开，或者注销重新登录）
$ ps xj | grep a.out 
    1 13270 13270 13270 ?        -1 Rs 1000 0:21 ./a.out
13282 13338 13337 13282 pts/1 13337 S+ 1000 0:00 grep 
a.out
$ kill 13270

运行程序a.out（上面的daemonize 编译得到），它将变成一个守护进程，不再和当前终端关联，用户关闭终端窗口或注销也不会影响守护进程的运行。
查看守护进程：使用ps命令，必须带x参数，如ps axj。

参考

《linuxC编程一站式学习》