UNIX环境高级编程——进程关系

一、终端的概念

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（Controlling Terminal），控制终端是保存在PCB中的信息，而我们知道fork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输出都指向控制终端，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。在控制终端输入一些特殊的控制键可以给前台进程发信号，例如Ctrl-C表示SIGINT，Ctrl-表示SIGQUIT。

每个进程都可以通过一个特殊的设备文件/dev/tty访问它的控制终端。事实上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既可以通过/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。在linux上的命令tty 也可以查看到当前的终端。

比如我们在图形界面下打开一个终端可能是/dev/pts/0, 第二个可能是/dev/pts/1 ...(网络终端)

而切换到字符界面下可能是/dev/tty1 ...(虚拟终端)

二、作业控制

事实上，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（JobControl）。例如用以下命令启动5个进程（这个例子出自APUE）：

$ proc1 | proc2 &

$ proc3 | proc4 | proc5

其中proc1和proc2属于同一个后台进程组，proc3、proc4、proc5属于同一个前台进程组，Shell进程本身属于一个单独的进程组。这些进程组的控制终端相同，它们属于同一个Session，一个Session与一个控制终端相关。当用户在控制终端输入特殊的控制键（例如Ctrl-C）时，内核会发送相应的信号（例如SIGINT）给前台进程组的所有进程。各进程、进程组、Session的关系如下图所示。

在上面的例子中，proc3、proc4、proc5被Shell放到同一个前台进程组，其中有一个进程是该进程组的Leader，Shell调用wait等待它们运行结束。一旦它们全部运行结束，Shell就调用tcsetpgrp函数将自己提到前台继续接受命令。但是注意，如果proc3、proc4、proc5中的某个进程又fork出子进程，子进程也属于同一进程组，但是Shell并不知道子进程的存在，也不会调用wait等待它结束。换句话说，proc3 | proc4 | proc5是Shell的作业，而这个子进程不是，这是作业和进程组在概念上的区别。一旦作业运行结束，Shell就把自己提到前台，如果原来的前台进程组还存在（如果这个子进程还没终止），则它自动变成后台进程，被init进程接管。

三、守护进程

守护进程是在后台运行不受控端控制的进程，通常情况下守护进程在系统启动时自动运行，用户关闭终端窗口或注销也不会影响守护进程的运行，只能kill掉。守护进程的名称通常以d结尾，比如sshd、xinetd、crond等

我们用ps axj命令查看系统中的进程，凡是TPGID（前台进程组ID）一栏写着-1的都是没有控制终端的进程，或者TTY一栏为？的，也就是守护进程。

四、创建守护进程步骤

调用fork(),创建新进程，它会是将来的守护进程
在父进程中调用exit，保证子进程不是进程组组长
调用setsid创建新的会话期
将当前目录改为根目录
将标准输入、标准输出、标准错误重定向到/dev/null

成功调用setsid函数的结果是：

创建一个新的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，当前进程成为进程组的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，则它失去这个控制终端，成为一个没有控制终端的进程。

示例程序：

#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>

#define ERR_EXIT(m) 
    do { 
        perror(m); 
        exit(EXIT_FAILURE); 
    } while(0)

int setup_daemon(int, int);
/* 守护进程一直在后台运行且无控制终端 */
int main(int argc, char *argv[])
{
    //  daemon(0, 0)
    setup_daemon(0, 0);
    printf("test ... 
"); // 无输出
    for(;;) ;
    return 0;
}

int setup_daemon(int nochdir, int noclose)
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid == -1)
        ERR_EXIT("fork error");
    if (pid > 0)
        exit(EXIT_SUCCESS);
    /* 调用setsid的进程不能为进程组组长，故fork之后将父进程退出 */
    setsid(); // 子进程调用后生成一个新的会话期
    if (nochdir == 0)
        chdir("/"); //更改当前目录为根目录
    if (noclose == 0)
    {
        int i;
        for (i = 0; i < 3; ++i)
            close(i);
        open("/dev/null", O_RDWR); // 将标准输入，标准输出等都重定向到/dev/null
        dup(0);
        dup(0);
    }

    return 0;
}

执行程序再ps axj 一下：

huangcheng@ubuntu:~$ ./daemon
huangcheng@ubuntu:~$ps axj
 PPID   PID  PGID   SID TTY      TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
...........................................................................................................................
 1  7678  7678  7678 ?           -1 Rs    1000   0:03 ./daemon
可以看出守护进程的ID也是进程组的ID，也是会话期的ID，此外这个会话期没有前台进程组。


五、使用daemon函数实现守护进程
功能：创建一个守护进程
原型：int daemon(int nochdir, int noclose);
参数：
nochdir：=0将当前目录更改至“/”
noclose：=0将标准输入、标准输出、标准错误重定向至“/dev/null”