进程ID及进程间的关系

2023-11-24 16:05:05 浏览数 (1)

进程ID

进程相关的 ID 有多种，除了进程标识 PID 外，还包括：线程组标识 TGID，进程组标识 PGID，回话标识 SID。TGID/PGID/SID 分别是相关线程组长/进程组长/回话 leader 进程的 PID。

下面分别介绍这几种ID。

PID

  • 进程总是会被分配一个唯一标识它们的进程ID号，简称 PID。
  • 用 fork 或 clone 产生的每个进程都由内核自动地分配了一个唯一的 PID 。
  • PID 保存在 task_struct->pid中。

TGID

  • 进程以 CLONE_THREAD 标志调用 clone 方法，创建与该进程共享资源的线程。线程有独立的task_struct，但它 task_struct内的 files_struct、fs_struct 、sighand_struct、signal_struct和mm_struct 等数据结构仅仅是对进程相应数据结构的引用。
  • 由进程创建的所有线程都有相同的线程组ID(TGID)。线程有自己的 PID，它的TGID 就是进程的主线程的 PID。如果进程没有使用线程，则其 PID 和 TGID 相同。
  • 在内核中进程和线程都用 task_struct表示，而有了 TGID，我们就可以知道 task_struct 代表的是一个进程还是一个线程。
  • TGID 保存在 task_struct->tgid 中。
  • 当 task_struct 代表一个线程时，task_struct->group_leader 指向主线程的 task_struct。

PGID

  • 如果 shell 具有作业管理能力，则它所创建的相关进程构成一个进程组，同一进程组的进程都有相同的 PGID。例如，用管道连接的进程包含在同一个进程组中。
  • 进程组简化了向组的所有成员发送信号的操作。进程组提供了一种机制，让信号可以发送给组内的所有进程，这使得作业控制变得简单。
  • 当 task_struct 代表一个进程，且该进程属于某一个进程组，则 task_struct->group_leader 指向组长进程的 task_struct。
  • PGID 保存在 task_struct->signal->pids[PIDTYPE_PGID].pid中。 pids[] 的数组下标是枚举类型，在 include/linux/pid.h 中定义了 PID 的类型：
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enum pid_type
{
	PIDTYPE_PID,
	PIDTYPE_TGID,
	PIDTYPE_PGID,
	PIDTYPE_SID,
	PIDTYPE_MAX,
};

  • task_struce->signal 是 signal_struct 类型，维护了进程收到的信号，task_struce->signal 被该进程的所有线程共享。从 PGID 保存在 task_struct->signal->pids[PIDTYPE_PGID]中可以看出进程组和信号处理相关。

SID

  • 用户一次登录所涉及所有活动称为一个会话（session），其间产生的所有进程都有相同的会话ID（SID），等于会话 leader 进程的 PID。
  • SID 保存在 task_struct->signal->pids[PIDTYPE_SID].pid中。

PID/TGID/PGID/SID总结

用一幅图来总结 PID/TGID/PGID/SID ：

进程间关系

内核中所有进程的 task_struct 会形成多种组织关系。根据进程的创建过程会有亲属关系，进程间的父子关系组织成一个进程树；根据用户登录活动会有会话和进程组关系。

亲属关系

进程通过 fork() 创建出一个子进程，就形成来父子关系，如果创建出多个子进程，那么这些子进程间属于兄弟关系。可以用 pstree 命令查看当前系统的进程树。

代码语言：javascript复制
$ pstree -p
systemd(1)─┬─ModemManager(759)─┬─{ModemManager}(802)
           │                   └─{ModemManager}(806)
           ├─NetworkManager(685)─┬─{NetworkManager}(743)
           │                     └─{NetworkManager}(750)
           ├─acpid(675)
           ├─agetty(814)
           ├─avahi-daemon(679)───avahi-daemon(712)
           ├─bluetoothd(680)
           ├─canonical-livep(754)─┬─{canonical-livep}(1224)
           │                      ├─{canonical-livep}(1225)
           │                      ├─{canonical-livep}(1226)
...

进程描述符 task_struct 的 parent 指向父进程，children指向子进程链表的头部，sibling 把当前进程插入到兄弟链表中。

通常情况下，real_parent 和 parent 是一样的。如果在 bash 上使用 GDB 来 debug 一个进程，这时候进程的 parent 是 GDB ，进程的 real_parent 是 bash。

当一个进程创建了子进程后，它应该通过系统调用 wait() 或者 waitpid() 等待子进程结束，回收子进程的资源。而子进程在结束时，会向它的父进程发送 SIGCHLD 信号。因此父进程还可以注册 SIGCHLD 信号的处理函数，异步回收资源。

如果父进程提前结束，那么子进程将把1号进程 init 作为父进程。总之，进程都有父进程，负责进程结束后的资源回收。在子进程退出且父进程完成回收前，子进程变成僵尸进程。僵尸进程持续的时间通常比较短，在父进程回收它的资源后就会消亡。如果父进程没有处理子进程的终止，那么子进程就会一直处于僵尸状态。

会话、进程组关系

Linux 系统中可以有多个会话（session），每个会话可以包含多个进程组，每个进程组可以包含多个进程。

会话是用户登录系统到退出的所有活动，从登录到结束前创建的所有进程都属于这次会话。登录后第一个被创建的进程（通常是 shell），被称为 会话 leader。

进程组用于作业控制。一个终端上可以启动多个作业，也就是进程组，并能控制哪个作业在前台，前台作业可以访问终端，哪些作业运行在后台，不能读写终端。

我们来看一个会话和进程组的例子。

代码语言：javascript复制
$ cat | head
hello
hello
^Z
[1]   已停止               cat | head
$ ps j | more
   PPID     PID    PGID     SID TTY        TPGID STAT   UID   TIME COMMAND
   1522    1532    1532    1532 pts/0       1762 Ss    1000   0:00 -bash
   1532    1760    1760    1532 pts/0       1762 T     1000   0:00 cat
   1532    1761    1760    1532 pts/0       1762 T     1000   0:00 head
   1532    1762    1762    1532 pts/0       1762 R     1000   0:00 ps j
   1532    1763    1762    1532 pts/0       1762 S     1000   0:00 more

上面的命令通过 cat | head 创建了第一个进程组，包含 cat 和 head 两个进程。这时这个作业是前台任务，可以控制终端。当我们按下 Ctrl z，会发送信号 SIGTSTP 给前台进程组的所有进程，该信号的缺省行为是暂停作业执行。暂停的作业会让出终端，并且进程不会再被调度，直到它们收到 SIGCONT 信号恢复执行。

然后我们通过 ps j | more 创建了另一个进程组，包含 ps 和 more 两个进程。ps 的参数 j 表示用任务格式显示进程。输出中的 STAT 列是进程的状态码，前面的大写字母表示进程状态，我们可以从 ps 的 man page 查看其含义：

代码语言：javascript复制
D    uninterruptible sleep (usually IO)
I    Idle kernel thread
R    running or runnable (on run queue)
S    interruptible sleep (waiting for an event to complete)
T    stopped by job control signal
t    stopped by debugger during the tracing
W    paging (not valid since the 2.6.xx kernel)
X    dead (should never be seen)
Z    defunct ("zombie") process, terminated but not reaped by its parent

某些进程除了大写字母代表的进程状态，还跟着一个附加符号：

  • s ：进程是会话 leader 进程
  • ：进程位于前台进程组中

从输出可以看出，bash 是这个会话的 leader 进程，它的 PID、PGID 和 SID 相同，都是1532 。这个会话其他所有进程的 SID 也都是 1532。

cat | head 进程组的 PGID 是 1760，ps j | more 进程组的 PGID 是 1762。用管道连接的进程包含在同一个进程组中，每个进程组内第一个进程成为 Group Leader，并以 Group Leader 的 PID 作为组内进程的 PGID。

会话有一个前台进程组，还可以有一个或多个后台进程组，只有前台作业可以从终端读写数据。示例的进程组关系如图：

注意到上图中显示，终端设备可以向进程组发送信号。我们可以在终端输入特殊字符向前台进程发送信号：

  • Ctrl c 发送 SIGINT 信号，默认行为是终止进程；
  • Ctrl 发送 SIGQUIT 信号，默认行为是终止进程，并进行 core dump；
  • Ctrl z 发送 SIGTSTP 信号，暂停进程。

只有前台进程可以从终端接收输入，也只有前台进程才被允许向终端输出。如果一个后台作业中的进程试图进行终端读写操作，终端会向整个作业发送 SIGTTOU 或 SIGTTIN 信号，默认的行为是暂停进程。

当终端关闭时，会向整个会话发送 SIGHUP 信号，通常情况下，这个会话的所有进程都会被终止。如果想让运用在后台的进程不随着 session 的结束而退出，可以使用 nohup 命令忽略 SIGHUP 信号：

代码语言：javascript复制
$ nohup command >cmd.log 2>&1 &

即使 shell 结束，运行于后台的进程也能无视 SIGHUP 信号继续执行。另外一个方法是可以让进程运行在 screen 或 tmux 这种终端多路复用器（terminal multiplexer）中。

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