Linux进程与终端学习笔记

进程与程序的区别

• 程序：二进制文件，存储在磁盘上

• 进程：process，一个程序运行实例

  • 将程序从磁盘加载到内存并分配对应的资源、调度运行

• 进程实例

  • 汇编指令代码、数据、资源、状态
  • 一个虚拟计算机(进程上下文环境、CPU状态寄存器)
  • 进程资源：虚拟内存、打开的文件描述符表、信号、工作目录…

• 进程由操作系统来调度管理.

• 程序是静态的

• 进程是动态的

创建一个进程:fork

系统调用：fork()

• 函数原型：pid_t fork(void);
• 函数作用：创建一个新进程
• 返回值：
  • -1 ：创建子进程失败
  • 0 ：在子进程中返回0
  • >0 ：在父进程中返回的是子进程的PID

子进程的运行

子进程拷贝父进程

• 代码、数据、堆栈内存
• 进程资源：打开的文件描述符、信号、缓冲区…
  

执行一个二进制程序文件

execvp函数

**函数原型：int execvp (const char file, char const argv[]);

• 功能说明：将当前进程的代码使用file程序文件代替并执行
• 参数说明
  • file：要执行的程序名称
  • argv：要执行的程序文件的参数列表，参数列表以NULL指针为结束标记
• 返回值
  • 成功：无返回值
  • 失败：返回-1，并设置errno值

exec函数簇

• #include
• int execl (const char *path, const char *arg, …);
• int execlp (const char *file, const char *arg, …);
• int execle (const char *path, const char *arg, …);
• int execv (const char *path, char *const argv[]);
• int execvp (const char *file, char *const argv[]);
• int execvpe (const char *file, char *const argv[], char *const envp[]);

exec函数簇命名规则

• L：参数以列表的形式提供
• V：参数以数组(向量)的方式提供
• E：为新进程提供新的环境变量
• P：在用户的绝对路径path下查找可执行文件，该文件必须在用户路径下，可以只指定程序文件名

写时复制(COW)与vfork

一个新进程的诞生：虚拟空间

一个新进程的诞生：物理空间

一个新进程的诞生

写时复制(copy-on-write)

对fork-exec流程的改进

• 对于代码段、数据段等，父子进程可以共享，节省拷贝开销
• 父子进程的页表项均指向同一块物理内存页帧
• 当子进程进程空间的内容要修改时，才会真正将段复制到子进程
• 写时复制：
  • 仅仅为子进程复制父进程的虚拟页表项
  • 对将要修改的页面修改页表项

系统调用：vfork

• 对fork的改进
• 对fork的改进更为彻底、简单粗暴
• vfork是为子进程立即执行exec的程序而专门设计的
  • 无需为子进程复制虚拟内存页或页表，子进程直接共享父进程的资源，直到其成功执行exec或是调用exit退出
  • 在子进程调用exec之前，将暂停执行父进程

进程的退出

终止当前进程exit函数

• POSIX标准和ANSI C定义的标准函数
  • #include
  • 其实是对系统调用_exit的封装
• 函数原型：void exit (int status);
• 函数功能：终止当前进程
• 参数说明：用于标识进程的退出状态，shell或父进程可以获取该值
  • 0：表示进程正常退出
  • -1/1：表示进程退出异常
  • 2~n：用户可自定义

exit函数背后

执行流程

• 调用退出处理程序(通过atexit、on_exit注册的函数)
• 刷新stdio流缓冲区
• 使用由status提供的值执行_exit系统调用函数
  • 关闭进程打开的文件描述符、释放进程持有的文件锁
  • 关闭进程打开的信号量、消息队列
  • 取消该进程通过mmap创建的内存映射
  • …

atexit/on_exit

• 退出处理程序
• 在exit退出后可以自动执行用户注册的退出处理程序
• 执行顺序与注册顺序相反
• 函数原型：int atexit (void (*function)(void));
• 函数原型：int on_exit (void (*function)(int , void *), void *arg);

TIPS

return与exit的区别

• exit用来终止当前进程，将控制权交给操作系统
• return用来退出当前函数，销毁栈帧，返回到上级函数执行
• 终止进程：
  • 正常退出：exit、_exit、从main函数return
  • 异常退出：调用abort、信号ctrl + C

exit_group函数

• 函数原型： void exit_group (int status);
• exit：退出当前进程process
• exit_group：退出一个进程中所有threads
• Linux系统特有的系统调用，不属于POSIX标准

other

• fork之后、exec之前，使用exit是不安全的
• 很多资源还是共享的(如文件描述符、缓冲区)

exit与_exit

两者的区别

• exit是库函数是对_exit系统调用的封装
• 在调用_exit之前，它会执行各种动作
  • 调用退出处理程序(通过atexit和on_exit注册的回调函数)
  • 刷新stdio流缓冲区
  • 使用由status提供的值执行_exit系统调用

_exit的执行流程

• 关闭进程打开的文件描述符、释放该进程持有的文件锁
• 关闭该进程打开的信号量、消息队列
• 取消该进程通过mmap()创建的内存映射
• 将该进程的所有子进程交给init托管
• 给父进程发送一个SIGCHLD信号
• ……

_exit和exit总结

• 在一个进程中，直接调用_exit终止进程，缓冲区的数据可能会丢失
• 在创建子进程的应用中，只应有一个进程(一般为父进程)调用exit终止，而其他进程应调用_exit()终止。从而确保只有一个进程调用退出处理程序并刷新stdio缓冲区
• 如果一个进程使用atexit/on_exit注册了退出管理程序，则应使用exit终止程序的运行，否则注册的回调函数无法执行

vfork与exit

fork函数的开销

• 子进程对父进程数据、堆栈、缓存等资源的拷贝
• 子进程exec函数的执行
• 写时复制：copy-on-write：先不复制，需要修改的时候再拷贝

系统调用vfork

• 子进程共享父进程的代码、数据、堆栈资源
• 使用vfork后，直接运行exec，节省了资源拷贝的时间
• 使用vfork，创建子进程后直接运行子进程、父进程被阻塞

使用vfork创建子进程的退出

• vfork 创建的子进程共享父进程的代码段、数据段、堆栈，子进程退出时使用_exit/exit，使用return会破坏父进程的堆栈环境、产生段错误
• 父进程退出一般使用exit，而子进程退出使用_exit
  • 子进程exit，输出不确定，依赖于IO库的实现[APSE]
  • 子进程：_exit + fflush = exit ?

等待子进程终止：wait

wait()函数

• 函数原型： pid_t wait(int *status);
• 函数功能：等待子进程的终止及信息
• 参数说明：子进程调用exit/_exit时的status
• 返回值
  • Wait调用成功，会返回已终止子进程的pid
  • Wait调用失败，返回-1，设置errno值
  • 若子进程没有终止，wait调用会阻塞父进程，直到子进程终止，子进程终止后，该调用立即返回

子进程的返回状态

通过宏来解析返回状态

• WEXITSTATUS(status)：返回子进程的退出状态
• WTERMSIG(status)：子进程因未捕捉的信号而终止，此宏返回true
• WSTOPSIG(status)：子进程因信号暂停，此宏返回true
• WIFEXITED(status)：若子进程正常结束，返回true
• WIFSIGNALED(status)：若通过信号杀掉子进程，此宏返回true
• WIFSTOPPED(status)：若子进程因信号而停止，此宏返回true
• WIFCONTINUED(status)：若子进程收到SIGCONT恢复运行，返回true

等待特定子进程运行终止

waitpid()函数

• 函数原型： pid_t wait(pid_t pid, int *status, int options);
• 函数功能：等待特定子进程的终止及信息
• 参数说明：子进程调用exit/_exit时的status
• 返回值
  • waitpid调用成功，会返回已终止子进程的pid
  • waitpid调用失败，返回-1，设置errno值
  • 若子进程没有终止，waitpid调用会阻塞当前进程，直到子进程终止，子进程终止后，该调用立即返回

waitid()函数

• System V 系统调用接口
• 函数原型：int waitid( idtype_t idtype, id_t id, siginfo_t *infop, int options);
• idtype：P_ALL等待任何子进程；P_PID、P_PGID等待特定进程/进程组

进程调度

操作系统的核心：任务管理

调度器

任务调度

• 将有限的CPU资源分配给多个进程
• 目的：最大化处理器效率，让多个进程同时运行、互不影响
• 实现：
  • 协同式：一个进程运行完自己的时间片，主动退出，CPU无权过问
  • 抢占式：时间片到了或有更高优先级、调度器抢占CPU进行任务切换
    

Linux进程管理

进程分类

• 处理器消耗型
  • 渴望获取更多的CPU时间，并消耗掉调度器分配的全部时间片
  • 常见例子：无限死循环、科学计算、影视特效渲染
• I/O消耗型
  • 由于等待某种资源通常处于阻塞状态，不需要较长的时间片
  • 常见例子：等待用户输入、GUI程序、文件读写I/O程序

Linux调度策略

• 对不同进程采取不同调度策略、实现多个调度器
  • 完全公平调度CFS
  • 实时进程调度RT
  • 最终期限调度DL
  • IDLE类调度器、STOP类调度器
• 不同进程由不同的调度器管理，彼此之间互不干扰
  • 处理器消耗型进程：减少优先级、分配尽可能长的时间片
  • I/O消耗进程：增加优先级、增加实时性、增强用户体验
  • 两者混合型

进程的nice值和优先级

• $ nice -n 5 top
• NI [-20,19] ：进程的NICE值，也叫静态优先级，nice值越小，抢占CPU能力越强，nice会影响进程的优先级
• PRI[0,139]：进程的优先级，也叫动态优先级，值越小，优先级越高
• 进程默认优先级： #define DEFAULT_PRIO (MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH / 2)
• 实时进程与非实时进程
  • 实时进程：优先级[0,99]，采用实时进程的调度算法
  • 非实时进程：优先级[100,139]，采用O1/CFS等调度算法

并发与并行区别

• 并发：concurrency，CPU通过时间片轮转同时做多件事情
• 并行：parallellism，很多事情在多个CPU上同时进行
• 并发可以看做并行的一个“子集”
• 一个应用程序
  • 可以是并发的，但不是并行的
  • 可以是并行的，但不是并发的
  • 既是并发的，又是并行的
  • 既不是并发的，又不是并行的

Linux进程状态

进程状态

• TASK_RUNNING：就绪/可运行状态
• TASK_INTERRUPTABLE：进程被挂起(睡眠)，直到等待条件为真被唤醒
• TASK_UNINTERRUPTABLE：深度睡眠，睡眠期间不响应信号
• TASK_STOPPED：进程的执行被暂停
• TASK_TRACED：被其它进程跟踪，常用于调试
• EXIT_ZOMBIE：僵死状态，进程的执行被终止
• EXIT_DEAD：僵死撤销状态，防止wait类系统调用的竞争状态发生

查看进程状态:$ ps ax

• S：进程呈睡眠态，通常等待某个事件，如一个信号
• R：就绪/可运行状态
• D：深度睡眠，即不可中断的睡眠，通常指等待输入或输出完成
• T：进程被暂停执行，如进程被shell的ctrl+z 暂停，或处于调试中
• Z：僵尸进程
• N：低优先级进程
• s：进程是会话首进程
• +：进程属于前台进程组
• l：进程是多线程的(#注:小写的L)
• L：has pages locked into memory (for real-time and custom IO)
• <：高优先级进程

进程的UID和GID

进程的PID

• 创建进程时系统为每个进程自动分配一个整数，用于进程身份识别
• 每个进程的PID在内核中是唯一的，不能重复
• PID资源有限：$ cat /proc/sys/kernel/pid_max
• PPID：该进程父进程的ID号
• $ ps ：显示当前终端由当前用户运行的进程
• $ ps –a：显示所有终端所有用户正在运行的进程

用户和用户组的关系

Linux是多用户操作系统，可以允许不同的用户登录

• 每个用户可以属于不同的组，实现资源的访问权限控制
• 创建用户没有指定所属组时，系统会创建一个跟用户同名的组
• 每个用户、组用一个整数ID标识 (uid_t和gid_t类型，其实就是u32)
• UID：user ID，创建用户时系统分配的一个整数号码
• GID：group ID，系统给用户组分配的一个整数号码

/etc/passwd 和/etc/group文件

• Linux系统通过 /etc/passwd 和/etc/group文件将ID与用户名建立关联
• 如 root用户的UID为0，GID为0 | wit 用户的UID为1000，GID为1000
• 该文件还包括的信息
  • 组ID：用户所属第一个组的整数型组ID
  • 主目录：用户登陆后所居于的初始目录
  • 登录shell：执行以解释用户命令的程序名称

Linux系统中的UID分配

• 0~255：特权用户
• 1000以上：普通用户

进程与UID之间的关系

• 每一个进程与用户、用户组相关联
  • 进程必须以合适的用户和组运行
  • 运行进程的用户ID即该进程的UID
  • 该UID和GID表示进程的资源访问、操作权限
• 进程的各种ID
  • RUID：实际用户ID。运行该进程的那个登录用户ID，一般会继承父进程，子进程可通过setuid修改
  • EUID：有效用户ID。当前进程所使用的用户ID，一般等于RUID，用于权限验证。
  • SUID：设置用户ID。父进程原先的有效ID(执行setuid之前)，子进程会继承并将其设置为有效用户ID

相关API

• setuid：改变当前进程的UID
• getuid：获取当前进程的UID
• seteuid：改变当前进程的有效UID
• geteuid：获取当前进程的有效UID

通过proc查看进程资源

结构体：task_struct

	struct task_struct { 
	void *stack; atomic_t usage; 
	const struct sched_ class *sched_class; 
	struct list_head tasks; 
	struct mm_struct *mm, *active_mm; 
	struct vm_area_struct *vmacache[VMACACHE_SIZE]; 
	int exit_state; pid_t pid; pid_t tgid; 
	struct task_struct *parent; 
	struct list_head children; 
	struct fs_struct *fs; 
	struct files_struct *files; 
	struct bio_list *bio_list; 
	struct reclaim_state *reclaim_state; 
	... 
	int pagefault_disabled; 
	struct thread_struct thread; 
}

ps命令

• -A/-e：显示系统所有的进程(包括守护进程)，相当于-e
• -a：显示所有终端下的所有用户运行的进程
• -u：显示用户名、CPU百分比和内存的使用
• -x/-f：列出进程的详细信息
• -H：显示进程树
• -r：只显示正在运行的进程
• -o：分类输出
• $ ps –o pid,ppid,state,tty,command
• 监视进程：$ top

procfs文件系统

• Linux内核：一切皆文件，ps命令也是从proc文件读取数据
• Procfs是Linux内核中一个特殊的文件系统，以/proc目录形式呈现
• 应用程序可通过/proc下的文件接口对驱动和内核信息进行访问
  • 获取内核信息、硬件设备信息、进程信息
  • 设置内核参数、控制开关

通过proc查看进程资源

• 进程对应的可执行文件名字
• 环境变量、CPU、内存相关信息
• 进程的上下文环境、堆栈
• 进程状态
• 进程打开的文件列表
  

进程通信

信号

• 信号是一种异步通信的IPC
• 可以给一个指定进程发送一个信号
• 进程根据接收信号类型作相应的处理
• 系统调用接口：signal、kill

一个进程对信号的处理

• 三种处理方式
• 如果注册信号处理回调函数的话，会调用注册的信号处理回调函数
• 如果没有注册的话，按照该信号在系统中的默认处理方式
  • 忽略
  • 终止进程

信号与其对应的系统事件

终端与信号

终端驱动支持的信号

• CTRL + Z：SIGTSTP
• CTRL + \：SIGQUIT
• CTRL + C：SIGINT

终端与控制台

终端的概念

• 英文terminal，计算机外围设备，用来处理用户信息输入和结果输出
• 终端本身无计算能力，只是一个连接设备(如通过串口连接)

终端的演变

TTY设备的演变

• 电传打印机(Teletype)：早期的终端，由键盘、打印设备构成，简称TTY设备
• 大型机/小型机：多用户登录，显示器太贵，将电传打印机作为终端，通过串口连接到主机，通过用户名和密码登录主机

终端的泛化

• 将通过串口连接的各种设备都称为终端设备
• 串行端口终端：dev/ttySn
• 伪终端(pseudo terminal)：/dev/pty
• 虚拟终端(VT) ：/dev/tty
• 控制台：/dev/console

控制台的概念

• 英文：console，计算机自带的输入输出设备、直接连接到计算机上
• 一台计算机可以连接多个终端，但只能有一个控制台终端
• 计算机启动信息、内核信息、后台服务信息会显示在控制台上
• 终端只显示跟当前程序相关的打印信息
• 控制台权限比终端的权限大
  • 开关机、系统设置
  • 创建用户、修改密码、权限分配
• 控制台可以重定向到不同的终端设备上(串口、LCD、显示屏)
  • 在图形界面下，console映射到/dev/pts
  • 在命令行模式下，console映射到tty0
  • 在嵌入式环境中，console一般映射到串口、LCD上(ttyS0、ttyAMA0)

虚拟终端

个人PC时代

• 终端、控制台慢慢从硬件概念演化成了软件概念
• 虚拟终端：使用软件来模拟以前的硬件终端设备
• Linux系统中的6虚拟终端(tty1_{tty6)：使用ctrl+alt+F1}F6来回切换
• 当前终端：当前使用的终端=控制台( /dev/console )
• 控制终端：当前环境使用的终端：tty0
  

伪终端

伪终端的概念

• 英文名：pseudo terminal，简称PTY
• 用户登录(本地/SSH/telnet等)后动态创建的控制台设备文件
• 设备文件位于 /dev/pts目录下
• Ubuntu 中的Terminal其实也是一个终端模拟器
  • 为程序的输入输出提供帮助、回显、密码隐藏字符
  • 为用户提供对进程的控制：Ctrl+C 结束前台进程、发送给shell进程
  • 当用户通过SSH等软件登录主机，SSH的角色类似于terminal
    
    伪终端的软硬件架构
    

TIPS

• 终端与控制台的界限正越来越模糊…
• $ tty：显示当前用户所在终端的文件名

进程组与会话

进程组

• 进程组：一组协同工作或关联进程的组合，每个进程组有ID(PGID)
• 每个进程属于一个进程组，每个进程组有一个进程组长，该进程组长ID(PID)与进程组ID(PGID)相同
• 一个信号可以发送给进程组的所有进程、让所有进程终止、暂停或继续运行
• pa ajxf查看进程组

会话

会话是一个或多个进程组的集合

• 当用户登录系统时，登录进程会为这个用户创建一个新的会话(session)
• shell进程(如bash)作为会话的第一个进程，称为会话首进程(session leader)
• 会话的ID(SID)：等于会话首进程的PID
• 会话会分配给用户一个控制终端(只能有1个)，用于处理用户的输入输出
• 一个会话包括了该登录用户的所有活动
• 会话中的进程组由一个前台进程组和N个后台进程组构成

进程与终端的关系

• 控制终端：跟会话关联的终端，每个会话会分配0或1个控制终端
• 控制进程：建立与控制终端连接的会话首进程称为控制进程
• 终端的输入和控制信号会发送给前台进程组中的每一个进程
• 控制终端与后台进程之间通过信号通信

会话与shell

Shell解释器(bash)

• 进程组和会话都是为支持shell工作而存在
  • 用户登录login、登录进程login为用户创建一个login session
  • 我们登录的这个终端设备为该会话的控制终端
  • Shell进程为该会话首进程、控制进程
  • Shell进程ID为会话的ID
• 为了完成一项任务、shell会启动多个进程(脚本、管道命令)，这些进程会构成一个进程组
• 会话的意义在于将很多一起协同工作或相关联的进程、进程组囊括在一个shell内，方便管理(如信号管理、资源管理等)
• 一个读取用户命令、执行命令的程序，也被称为命令解释器
• 用于人机交互、对shell脚本进行解释、执行
  • 内置环境变量、循环、条件语句、I/O命令、函数等
  • shell可以集成在OS内核中，也可以作为一个独立的应用进程运行
• 登录shell进程：用户刚登录系统时，由系统创建来运行shell的进程
  • Sh：bourne shell, UNIX标配shell,支持管道、重定向、环境变量、后台执行
  • Csh：脚本语言语法与C语言类似，支持历史记录、命令行编辑等
  • Ksh：兼容sh，并吸取了csh的一些交互式特性
  • Bash：GNU项目，目前Linux上使用最广泛的shell

Shell的工作流程

• Linux内核启动后启动init进程、解析/etc/inittab 登录信息启动getty进程
• getty进程调用setsid创建新的session和process group、提示用户登录
• 登录后调用exec加载login程序(/bin/login)(继承getty的PID、PGID、SID)
• Login进程对用户输入的用户名、密码进行验证
• Login根据用户输入到/etc/passwd 查找成功后，找出对应UID、GID，并与/etc/shadow文件中对应账号的UID进行匹配验证
• 验证成功后接着会设置该用户相关的主文件夹、启动shell交互环境
• 验证成功后会fork子进程并通过exec执行shell(如bash\csh等)
• 此时login和shell两个进程同属前台进程组、共享虚拟终端
• Shell进程通过setpgid创建新的进程组、分道扬镳、并将自己设置为前台进程组，跟用户交互
• 用户输入命令$ c1 | c2 |c3，shell会fork 3个子进程
• 为这3个进程创建新的进程组，并将该进程组推向前台
• 3个子进程执行：通过虚拟终端处理输入输出
• 子进程执行完毕、退出，shell进程又重新回到前台，等待用户新命令

前台进程与后台进程

进程的前后台

• 前台进程：占有控制终端的进程，其它称为后台进程
• 后台进程：
  • shell中耗时较久的命令可以通过$ command & 后台运行
  • 好处：下一个命令不必等到上一个进程运行完才能运行
  • 一个子进程在创建时若没指定进程组，系统自动创建一个进程组、该子进程为进程组的组长，若该进程后台执行，该进程组为后台进程组
  • 会话将这些进程组囊括在一个shell终端内，选取其中一个进程组用来接收终端的输入或信号，这个进程组成为前台进程组
  • 一个会话可以有多个后台进程组，但只能有一个前台进程组

Shell与前后台

• Shell进程一开始工作在前台，等待用户输入命令
• 用户输入命令，shell进程通过fork & exec执行命令
• shell被提到后台，运行的命令提到前台，接受用户输入
• 前台进程运行结束退出，shell自动被提到前台，等待用户输入
• …

进程的前后台转换

• Shell：前台进程 + 任意多个后台进程
• Ctrl + C：终止并退出前台进程，回到SHELL
• Ctrl + Z：暂停前台命令执行，放到后台，回到SHELL
• Jobs：查看当前在后台执行的命令
• &：在后台执行命令
• fg N：将进程号码为 N 的命令放到前台执行
• bg N：将进程号码为 N 的命令放到后台执行
  • 注：该号码不是PID，是通过命令jobs看到的后台命令序号

Android中的进程

应用进程的淘汰机制

• 前台进程
• 可见进程
• 服务进程
• 后台进程

守护进程

守护进程的概念

• Daemon：运行在后台的服务程序，周期性执行系统级任务或等待处理某些发生的事件(热插拔事件、信号等)
• 独立于终端，不与任何控制终端相关联
• 打印信息不会打印到终端上
• 守护进程会创建自己新的会话，避免与其它会话产生关系

守护进程的特点

• 后台运行，不与控制终端相连
• 不受用户登录或注销的影响，一直在运行，一般为系统服务进程
• 生命周期较长，一般随系统启动和关闭，一直运行系统退出
• 不受SIGINT、SIGQUIT、SIGTSTP跟终端相关的信号影响
• 关闭终端不会影响daemon进程的运行
• 守护进程命名：sshd、inetd、httpd (命名不是绝对的、通用的)

查看系统的守护进程

• $ ps –axj | more
• 参数a：列出所有用户的进程
• 参数x：不仅列出控制终端的进程，还列出所有无控制终端的进程
• 参数j：列出与作业控制相关的信息

守护进程的应用

• Linux中大多数服务器或服务程序都是使用守护进程实现的
• Httpd：web服务器
• Inetd：Internet服务器
• Crond：作业规划进程
• Syslogd：日志维护/var/log
• Acpid：电源维护
• Lqd：打印进程
• Dhcpd：DHCP服务进程
• Sshd：SSH服务进程

守护进程的启动

通过配置文件和脚本

• 配置文件：/etc/
• 启动脚本：/etc/init.d、/etc/rc*.d、/etc/rc.local
• 启动脚本：/usr/lib/systemd/、/etc/systemd、/etc/sysconfig
• 将普通进程“包装”成守护进程：$ nohup ./a.out &
• $ nohup：不间断地运行命令

后台进程与守护进程的区别

• 守护进程已经完全脱离终端控制
• 后台程序没有脱离终端控制，一些信息会输出到终端
• 关闭终端时，后台进程会随之终止，而守护进程可以继续运行
• 守护进程有独立的会话、文件描述符、工作目录，而后台进程是继承父进程的

编写一个守护进程并运行

1. 屏蔽一些控制终端操作的信号
2. 调用fork，父进程退出
3. setsid创建一个新会话
4. 禁止进程重新打开控制终端
5. 关闭打开的文件描述符
6. 改变当前工作目录
7. 重设文件创建掩模
8. 处理SIGCHLD信号

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main (void)
{

	signal (SIGTTOU, SIG_IGN); // umask signal from terminal
	signal (SIGTTIN, SIG_IGN);
	signal (SIGTSTP, SIG_IGN);
	signal (SIGHUP, SIG_IGN);
	
	umask (0);              // umask file mode inheriting from father process

	pid_t ret_id = fork (); // creat child process
	if (ret_id < 0)
	{
		perror ("fork");
		exit (-1);
	}
	else if (ret_id > 0)
		exit (0);   		// father process exit

	setsid ();              // run child process in a new session

	signal (SIGCHLD, SIG_IGN); // ignore SIGCHID from child process when exited 

	ret_id = fork ();       // fork again
	if (ret_id < 0)
	{
		perror ("fork");
		exit (-1);
	}
	else if (ret_id > 0)
		exit (0);          // forbidden reopen the terminal


	if (chdir ("/") < 0)
	{
		perror ("chdir");
		exit (-1);
	}

	close (0); 		// close the stdin file description
	close (1);      // close the stdout file description
	close (2);      // close the stderr file description

	while (1)
		sleep (1);
	return 0;
}

僵尸进程

父进程和子进程的关联

• 在父进程中使用fork创建子进程、在调度器调度下分别调度运行
• 子进程运行结束退出，内核释放相关资源
  • 释放占用的内存、打开的文件
  • 仍保留一定的信息：进程ID、退出状态、运行时间等
• 父进程会调用wait/waitid 获取子进程的退出状态，释放最后的资源

什么是僵尸进程？

• 如果子进程exit退出，父进程没有调用wait获取子进程状态，那么子进程的相关资源仍然保存在系统中，这种进程称为僵尸进程
• 僵尸进程会占用PID等资源，如果系统中存在大量僵尸进程，会影响fork子进程

进程的不同状态

• R：task_running，可执行状态
• S：task_interruptible，可中断的睡眠状态
• D：task_uninterruptible，不可中断的睡眠状态
• T：task_stopped、task_traced，暂停状态或跟踪状态
• Z：task_dead、exit_zombie，退出状态，进程成为僵尸进程
• X：task_dead、exit_dead，退出状态，进程即将被销毁

孤儿进程

• 每一个进程都是从父进程fork出来的
• 一般情况下父进程会通过wait/waitid系统调用等待子进程退出，获取到子进程状态，释放相关资源后才会退出
• 若父进程退出时，子进程还没退出，会将进程托管给init进程，则子进程就变成了孤儿进程

init服务进程

init服务进程的演变

• Sysvinit
• Upstart
• Systemd

0号进程和1号进程

Linux进程的起源

0号进程：

• 即idle进程，Linux内核启动后创建的第一个进程
• 唯一没有 通过fork或者kernel_thread创建的进程

1号进程：即init进程

• 由idle进程通过kernel_thread创建，在内核空间完成初始化后，加载init程序，转变为用户空间的第一个进程
• Linux所有用户进程都是由init进程fork创建的，init是用户进程的“祖先”
• Init进程在系统启动后会转变为守护进程，托管孤儿进程，变为“孤儿院”

2号进程

• 即kthreadd内核线程，由kernel_thread创建，运行在内核空间
• 负责内核线程的调度和管理

0号进程

从0到1

• start_kernel：初始化内核各个组件，包括调度器，调用init_task
• init_task，内核中所有进程、线程的task_struct的雏形
• init_task调用kernel_thread创建内核init进程、kthreadd内核线程
• 内核初始化后，init_task最终演变为0号进程idle
• 内核开始调度执行，当无进程运行时，会调度idle进程运行

1号进程

从1到用户空间进程

• Start_kernel->rest_init->kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);
• 若用户通过init启动参数显式指定，运行用户指定的程序
• 若没指定：kernel_init->execve(/sbin/init) 运行init进程
  • /sbin/init
  • /etc/init
  • /bin/init
  • /bin/sh
• 1号init进程从内核态转换为用户态，变为用户进程的“祖先”
• 用户态init进程从/etc/inittab中完成各种初始化
  • 初始化系统、启动各种服务
  • 启动登录服务
  • 用户态init进程接着执行/bin/bash启动shell进程
  • 0号进程->init内核进程->1号init用户进程->getty进程->shell进程

init服务进程的演变

sysvinit

• 通过runlevel预定义运行模式：
  • runlevel 3为命令行模式，5为图形界面模式，0是关机，6是重启。提供各种命令：reboot、shutdown等
  • 运行位于/etc/rc*.d(一般链接到/etc/init.d)的脚本来启动各种系统服务
• 缺点：按脚本顺序启动服务，耗时较长，不适用消费电子

upstart

• 基于事件驱动机制，动态开启、关闭相关服务
• 并行启动各种服务，启动速度快，适用于便携式设备

systemd

• Linux桌面系统最新的初始化系统(init)、功能更强大
• 采用socket与总线激活式提高各个服务的并行运行性能
• 在Ubuntu等桌面操作系统中广泛使用

Linuxrc

• Linuxrc：在嵌入式系统中一般指定/linuxrc为init进程
• 设置bootargs：
  • setenv bootargs ‘mem=64M console=ttyS0,115200 root=/dev/ram rw init=/linuxrc’
• Linuxrc：存在于根文件系统的一个应用程序
  • 在嵌入式Linux中一般是busybox，busybox是专为嵌入式开发的init应用程序，提供了一整套的shell命令集：ls、cd、ps、pwd、rm等
  • 负责系统启动前后的各种配置、引出用户界面(cmdline 或 GUI)

Linux进程全景图

pstree

• 查看当前系统所有进程的关系
• -a：显示系统所有的进程
• -A：使用ASCII字符格式显示