從進程組、會話、終端的概念深入理解守護進程

寫在前面

「守護進程」是 Linux 的一種長期運行的後臺服務進程，也有人稱它為「精靈進程」。我們常見的 httpd、named、sshd 等服務都是以守護進程 Daemon 方式運行的，通常服務名稱以字母ｄ結尾，也就是 Daemon 第一個字母。與普通進程相比它大概有如下特點：

• 無需控制終端(不需要與用戶交互)
• 在後臺運行
• 生命周期比較長，一般是隨系統啟動和關閉

守護進程必要性

為什麼要設置為守護進程，普通進程不可以嗎？

當我們在命令行提示符後輸入類似./helloworld程式時，在程式運行時終端被占用，此時無法執行其它操作。即使使用./helloworld &方式後臺運行，當連接終端的網路出現問題，那麼也會導致運行程式中斷。這些因素對於長期運行的服務來說很不友好，而「守護進程」可以很好的解決這個問題。

對進程組、會話、終端的理解

「守護進程」理解起來並不複雜，代碼編寫上有基本固定的套路。如果想要深入理解「守護進程」基本原理，那麼必須要首先理解 Linux 的進程、進程組、會話、終端等概念。

1、進程

• 進程是 Linux 進行資源分配的最小單位
• 前臺進程，例如這樣：$ ./hello
• 後臺進程，例如這樣：$ ./hello & 釋放對控制終端的占用

2、進程組

每個進程都會屬於一個進程組，進程組中可以包含一個或多個進程。進程組中有一個進程組長，組長的進程 ID 是進程組 ID(PGID)

$ ps -o pid,pgid,ppid,comm | cat
  PID  PGID  PPID  COMMAND
10179  10179 10177 bash
10263  10263 10179 ps
10264  10263 10179 cat

下邊通過簡單的示例來理解進程組

• bash：進程和進程組ID都是 10179，父進程其實是 sshd(10177)
• ps：進程和進程組ID都是 10263，父進程是 bash(10179)，因為是在 Shell 上執行的命令
• cat：進程組 ID 與 ps 的進程組 ID 相同，父進程同樣是 bash(10179)

容易理解 Bash 就是Shell進程，Shell 父進程是 sshd；ps 與 cat 通過管道符號一起運行，屬於一個進程組，其父進程都是 Bash；一個進程組也被稱為「作業」。

3、會話(session)

多個進程組構成一個「會話」，建立會話的進程是會話的領導進程，該進程 ID 為會話的 SID。會話中的每個進程組稱為一個「作業」。會話可以有一個進程組稱為會話的「前臺作業」，其它進程組為「後臺作業」

一個會話可以有一個控制終端，當控制終端有輸入和輸出時都會傳遞給前臺進程組，比如Ctrl + Z。會話的意義在於能將多個作業通過一個終端控制，一個前臺操作，其它後臺運行。

4、前後臺作業相關操作

讓作業由進入後臺運行：

$ ping localhost >/dev/null &
[1] 10269    # 終端顯示
# [1]：作業ID  10269：進程組ID

給後臺作業發信號 SIGTERM

$ kill -SIGTERM -10269  # 發信號給進程組
$ kill -SIGTERM %1      # 發信號給作業1

讓後臺進程切換到前臺：

$ fg %1
# ping 進程重新切到前臺

編寫守護進程

編寫守護進程看似複雜，但實際上也是遵循一個特定的流程。

1、創建子進程，父進程退出

進程 fork 後，父進程退出。這麼做的原因有 2 點：

• 如果守護進程是通過 Shell 啟動，父進程退出，Shell 就會認為任務執行完畢，這時子進程由 init 收養
• 子進程繼承父進程的進程組 ID，保證了子進程不是進程組組長，因為後邊調用setsid()要求必須不是進程組長

2、子進程創建新會話

調用setsid()創建一個新的會話，併成為新會話組長。這個步驟主要是要與繼承父進程的會話、進程組、終端脫離關係。

3、禁止子進程重新打開終端

此刻子進程是會話組長，為了防止子進程重新打開終端，再次 fork 後退出父進程，也就是此子進程。這時子進程 2 不再是會話組長，無法再打開終端。其實這一步驟不是必須的，不過加上這一步驟會顯得更加嚴謹。

4、設置當前目錄為根目錄

如果守護進程的當前工作目錄是/usr/home目錄，那麼管理員在卸載/usr分區時會報錯的。為了避免這個問題，可以調用chdir()函數將工作目錄設置為根目錄/。

5、設置文件許可權掩碼

文件許可權掩碼是指屏蔽掉文件許可權中的對應位。由於使用 fork()函數新建的子進程繼承了父進程的文件許可權掩碼，這就給該子進程使用文件帶來了諸多的麻煩。因此，把文件許可權掩碼設置為 0，可以大大增強該守護進程的靈活性。通常使用方法是umask(0)。

6、關閉文件描述符

子進程會繼承已經打開的文件，它們占用系統資源，且可能導致所在文件系統無法卸載。此時守護進程與終端脫離，常說的輸入、輸出、錯誤描述符也應該關閉。

守護進程的出錯處理

由於守護進程脫離了終端，不能將錯誤信息輸出到控制終端，即使 gdb 也無法正常調試。常用的方法是使用 syslog 服務，將錯誤信息輸入到/var/log/messages中。

syslog 是 Linux 中的系統日誌管理服務，通過守護進程 syslogd 來維護。該守護進程在啟動時會讀一個配置文件/etc/syslog.conf。該文件決定了不同種類的消息會發送向何處。

守護進程編碼示例

pid_t pid, sid;
int i;
openlog("daemon_syslog", LOG_PID, LOG_DAEMON);
pid = fork(); // 第1步
if (pid < 0) exit(-1);
else if (pid > 0) exit(0);  // 父進程第一次退出
if ((sid = setsid()) < 0)   // 第2步
{
    syslog(LOG_ERR, "%s\n", "setsid");
    exit(-1);
}
// 第3步 第二次父進程退出
if ((pid = fork()) > 0) exit(0);
if ((sid = chdir("/")) < 0) // 第4步
{
    syslog(LOG_ERR, "%s\n", "chdir");
    exit(-1);
}
umask(0); // 第5步
// 第6步：關閉繼承的文件描述符
for(i = 0; i < getdtablesize(); i++)
{
    close(i);
}
while(1)
{
    do_something();
}
closelog();
exit(0);

到這裡基本上把守護進程的內容全部說清楚了，內容不少，概念比較晦澀，如果希望理解的比較透徹的話，可能需要多看幾遍了。