Linux 进程层次分析

Linux 进程组

每个进程都有一个进程组号 (PGID)

• 进程组：一个或多个进程的集合 (集合中的进程并不孤立)
• 进程组中的进程通常存在父子关系，兄弟关系，或功能相近

进程组可方便进程管理 (如：同时杀死多个进程，发送一个信号给多个进程)

• 每个进程必定属于一个进程组，也只能属于一个进程组
• 进程除了 PID 外，还有 PGID (唯一，但可变)
• 每个进程组有一个进程组长，进程组长的 PID 和 PGID 相同

pid_t getpgrp(void);  // 获取当前进程的组标识

pid_t getpgid(pid_t pid);  // 获取指定进程的组标识

int setpgid(pid_t pid, pid_t pgid);  // 设置进程的组标识

• pid == pgid，将 pid 指定的进程设为组长
• pid == 0，设置当前进程的组标识
• pgid == 0，则将 pid 作为组标识

进程组示例程序

pgid_j.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


int main(void)
{
    int pid = 0;
    int i = 0;
    
    printf("parent = %d, ppid = %d, pgid = %d\n", getpid(), getppid(), getpgrp());
    
    while( i < 5 )
    {
        if( (pid = fork()) > 0 )
        {
            printf("new: %d\n", pid);
        }
        else if( pid == 0 )
        {
            sleep(1);
            printf("child = %d, ppid = %d, pgid = %d\n", getpid(), getppid(), getpgrp());
            sleep(60);
            printf("last -- pgid = %d\n", getpgrp());
            break;
        }
        else
        {
            printf("fork error...\n");
        }
        
        i++;
    }
    
    if( pid )
    {
        sleep(60);
    }
   
    return 0;
}

这个程序会创建出5个子进程，打印父进程和5个子进程的 pid 和 pgid

通过打印可以看出父进程的 pid 和 pgid 相同，为 13297，说明父进程是进程组组长，5 个子进程的 pgid 也是 13297，说明父进程和 5 个子进程为同一个进程组

我们使用 kill 命令将 结束信号发送给 13297 这个进程组，这个进程组的所有进程都被干掉了

我们将 13471 这个父进程 kill 掉，发现 5 个子进程还在运行，说明进程组组长运行结束并不会影响其子进程的运行 

深入理解进程组

进程组长终止，进程组依然存在 (进程组长仅用于创建新进程组)

父进程创建子进程后立即通过 setpgid() 改变其组标识 (PGID)

同时，子进程也需要通过 setpgid() 改变自身组标识 (PGID)

子进程调用 exec()

• 父进程无法通过 setpgid() 改变其组标识 (PGID)
• 只能自身通过 setpgid() 改变其组标识 (PGID)

进程组标识设置技巧

进程组实验

pgid_a.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(void)
{
    int pid = 0;
    
    printf("parrent = %d, ppid = %d, pgid = %d\n", getpid(), getppid(), getpgrp());
    
    if( (pid = fork()) > 0 )
    {
        int r = setpgid(pid, pid);
        printf("new: %d, r = %d\n", pid, r);
    }
    else if( pid == 0 )
    {
        setpgid(pid, pid);
        sleep(1);
        printf("child = %d, ppid = %d, pgid = %d\n", getpid(), getppid(), getpgrp());
    }
    else
    {
        printf("fork error...\n");
    }  
    
    sleep(60);
   
    return 0;
}

这个程序用于改变子进程的子进程的 pgid，将子进程的变为进程组组长

第 16 行和第 21 行，在父进程和子进程中，都通过 setgid(...) 来改变子进程为进程组组长，这是因为在 fork() 之后，我们无法确定是父进程先运行还是子进程先运行，如果只在子进程中设置，而父进程先运行，则在父进程运行的某一小段时间内，子进程的 pgid 并未改变，所以需要在父进程和子进程中都通过 setpgid(...) 来改变子进程的 pgid

程序运行结果如下图所示：

可以看出我们成功通过 setpgid(...) 改变了子进程的 pgid，子进程成为了进程组组长

下面我们验证下子进程调用 exec(...) 后，父进程能够通过 setgpid(...) 来改变子进程的 pgid 吗？

pgid_a.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(void)
{
    int pid = 0;
    
    printf("parrent = %d, ppid = %d, pgid = %d\n", getpid(), getppid(), getpgrp());
    
    if( (pid = fork()) > 0 )
    {
        int r = 0;
		
		sleep(1);
		
		r = setpgid(pid, pid);
        printf("new: %d, r = %d\n", pid, r);
    }
    else if( pid == 0 )
    {
		char* out = "helloworld.out";
		char* const ps_argv[] = {out, NULL};
		
		execve("./helloworld.out", ps_argv, NULL);
    }
    else
    {
        printf("fork error...\n");
    }  
    
    sleep(60);
   
    return 0;
}

helloworld.c

#include 
#include 
#include 
#include 

int main(void)
{
	sleep(5);
	
	printf("before change pid\n");
    printf("child = %d, ppid = %d, pgid = %d\n", getpid(), getppid(), getpgrp());
    
    printf("hello world\n");
    
	printf("after change pid\n");
	setpgid(getpid(), getpid());
	printf("child = %d, ppid = %d, pgid = %d\n", getpid(), getppid(), getpgrp());
	
    sleep(30);
    
    return 0;
}

我们在子进程调用 execve(...) 后，在父进程中调用 setpgid(...) 改变子进程的进程组

程序运行结果如下图所示：

通过打印可以看出，子进程在调用 execve(...) 后，父进程就无法改变子进程的 pgid 了，不过我们可以在子进程中改变子进程的 pgid，可以成功改变

Linux 会话 (session)

用户通过终端登录系统后会产生一个会话

会话是一个或多个进程组的集合

每个会话有一个会话标识 (SID)

• 终端登录后的第一个进程成为会话首进程，通常是一个 shell/bash
• 对于会话首进程 (session leader)，其 PID 与 SID 相等

通常情况下，会话与一个终端 (控制终端) 相关联用于执行输入输出操作

• 会话首进程建立与控制终端的连接 (会话首进程又叫控制进程)
• 会话中的进程可分为
  • 前台进程组：可接受控制终端中的输入，也可输出数据到控制终端
  • 后台进程组：所有进程后台运行，无法接收终端中的输入，但可以输出数据到终端

问题：在终端中输入命令后，发生了什么？

当命令行 (shell) 运行命令后创建一个新的进程组

如果运行的命令中有多个子命令则创建多个进程 (处于新建的进程组中)

命令不带 &

• shell 将新建的进程组设置为前台进程组，并将自己暂时设置为后台进程组

命令中带 &

• shell 将新建的进程组设置为后台进程组，自己依旧是前台进程组

我们将 pgid_j 程序放到前台运行，这时 shell 会将这个进程所在的进程组设置为前台进程组，然后我们按下 ^C，shell 会发送一个终止信号给前台进程组，前台进程组的所有进程都会终止运行

什么是终端进程组标识 (TPGID) ?

标识进程是否处于一个和终端相关的进程组中

前台进程组：TPGID == PGID

后台进程组：TPGID != PGID

若进程和任何终端无关：TPGID == -1

第一次前台运行， grep 这个进程的 PGID 和 TPGID 相同，说明这个进程当前处于前台进程组

第二次后台运行， grep 这个进程的 PGID 和 TPGID 不同，并且 TPGID 不等于 -1，说明这个进程当前处于后台进程组

Linux 会话接口

#include

pid_t getsid(pid_t pid);  // 获取指定进程的 SID，(pid == 0) => 当前进程

pid_t setsid(void);  // 调用进程不能是进程组长

• 创建新会话，SID == PID，调用进程成为会话首进程
• 创建新进程组，PGID == PID，调用进程成为进程组长
• 调用进程没有控制终端，若调用前关联了控制终端，调用后与控制终端断联

下面的程序输出什么？为什么？

会话实验

session.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(void)
{
    int pid = 0;
    int i = 0;
    
    if( (pid = fork()) > 0 )
    {
        printf("parrent = %d, ppid = %d, pgid = %d, sid = %d\n", getpid(), getppid(), getpgrp(), getsid(getpid()));
        printf("new: %d\n", pid);
    }
    else if( pid == 0 )
    {
        setsid();
        sleep(3);
        printf("child = %d, ppid = %d, pgid = %d, sid = %d\n", getpid(), getppid(), getpgrp(), getsid(getpid()));
    }
    else
    {
        printf("fork error...\n");
    }  
    
    sleep(120);
    
    return 0;
}

我们在子进程中调用 setsid()，让子进程成为会话首进程

可以看出子进程的 pid 为 14182，它的 PID == PGID == SID，子进程成功的成为了会话首进程，并且它的 TPGID 为 -1，已经脱离了控制终端，但我们看到在当前的终端中还是可以看到子进程的打印，这是为什么呢？

在子进程 setsid() 后，虽然与控制终端无关，但还是可以有标准输入输出的，这里标准输出 stdout 还是关联到之前的终端，所以在当前的终端中还是会有打印

标准输入输出与控制终端没关系，只不过默认情况下标准输入输出是与终端关联到了一起