一文读懂Linux进程、进程组、会话、僵尸

作者简介

herongwei，北交硕士毕业，现就职于搜狗公司，后端开发工程师。从事 C++，Golang ，Linux 后端开发。

追求技术，热爱编程与分享，希望能和大家多多交流学习~

座右铭：    认真的人，自带光芒！

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个人博客:   https://rongweihe.github.io/

1、前言

在研究 Linux 实现之前，首先要对进程、进程组、会话，线程有个整体的了解：一个会话包含多个进程组，一个进程组包含多个进程，一个进程包含多个线程。

2、进程控制

进程是 Linux 操作系统环境的基础，它控制着系统上几乎所有的活动。每个进程都有自己唯一的标识：进程 ID，也有自己的生命周期。进程都有父进程，父进程也有父进程，从而形成了一个以 init 进程 （PID = 1）为根的家族树。除此以外，进程还有其他层次关系：进程组和会话。

一个典型的进程的生命周期如下图所示。

3、进程ID

Linux 下每个进程都会有一个非负整数表示的唯一进程 ID，简称 pid。

Linux 提供了getpid 函数来获取进程的 pid，同时还提供了 getppid 函数来获取父进程的 pid，相关接口定义如下：

1. #include <sys/types.h>

2. #include <unistd.h>

3. pid_t getpid(void);

4. pid_t getppid(void);

每个进程都有自己的父进程，父进程又会有自己的父进程，最终都会追溯到 1 号进程即 init 进程。这就决定了操作系统上所有的进程必然会组成树状结构，就像一个家族的家谱一样。可以通过 pstree 的命 令来查看进程的家族树，如下图所示。

procfs 文件系统会在 /proc 下为每个进程创建一个目录，名字是该进程的 pid。目录下有很多文件， 用于记录进程的运行情况和统计信息等。因为进程有创建，也有终止，所以 /proc/ 下记录进程信息的目录（以及目录下的文件）也会发生变化。如下图所示：

4、进程创建

Linux 下创建新进程的系统调用是 fork。其定义如下：

1. #include <sys/types.h>

2. #include <unistd.h>

3. pid_t fork( void );

该函数的每次调用都会返回两次：在父进程中返回的是子进程的 PID，在子进程中则返回 0 。该返回值是后续代码用来判断当前进程是父进程还是子进程的依据。

fork 函数会复制当前进程，在内核进程表中创建一个新的进程表项。新的进程表项有很多属性和原进程相同，比如堆指针、栈指针和标志寄存器的值。但也有许多属性被赋予了新的值，比如该进程的 PPID 被设置成了原进程的 PID，信号位图被清除（也就是原进程设置的信号处理的函数不再对新进程起作用）。

子进程的代码与父进程完全相同，同时它还会复制父进程的教据（堆数据、栈数据和靜态数据）。

数据的复制采用的是所谓的写时复制（copy on writte），即只有在任一进程（父进程或子进程）对数据执行了写操作时，复制才会发生（先是缺页中断，然后操作系统给子进程分配内存并复制父进程的数据）。

如果我们在程序中分配了大量内存，那么使用 fork 时也应当谨慎，避免没必要的内存分配和数据复制。

此外，创建子进程后，父进程中打开的文件描述符默认在子进程中也是打开的，且文件描述符的引用计数加 1，不仅如此，父进程的用户根目录、当前工作目录等变量的引用计数均会加 1。

5、进程层次

进程组和会话在进程之间形成了两级的层次关系：

进程组是一组相关进程的集合，会话是一组相关进程组的集合。

一个进程会有如下 ID：

1）PID：进程的唯一标识。如果一个进程含有多个线程，所有线程调用 getpid 函数会返回相同的值。

2）PGID：进程组 ID。每个进程都会有进程组 ID，表示该进程所属的进程组。默认情况下新创建的进程会继承父进程的进程组 ID。

3）SID：会话 ID。每个进程也都有会话 ID。默认情况下，新创建的进程会继承父进程的会话 ID。

4）PPID：是程序的父进程号。

可以调用如下指令来查看所有进程的层次关系（To print a process tree）：

1. 1、ps -ejH

2. 2、ps axjf

也可以调用以下函数获取进程组 ID 跟会话 ID ：

1. 1、pid_t getpgrp(void);

2. 2、pid_t getsid(pid_t pid);

前面提到，新进程默认会继承父进程的进程组 ID 和会话 ID，那么看到这里，有同学可能会问了：如果都是默认情况的话，那么一层层往上计算，所有的进程应该有共同的进程组 ID 和会话 ID ，但是当调用 ps axjf 命令查看，实际情况并非如此，系统中存在很多不同的会话，每个会话下也有不同的进程组。

如下图所示：

这是什么原因呢？

《Linux环境编程：从应用到内核》这本书里，有一个解释，说的比较生动形象：

1）可以打个比方，以家族企业的创业为例，每个进程可以比喻成家族企业的每个成员。

2）如果从创业之初，所有家族成员都安分守己，循规蹈矩，默认情况下，就只会有一个公司、一个部门。但是也有些“叛逆”的子弟，愿意为家族公司开疆拓土，愿意成立新的部门。

3）这些新的部门就是新创建的进程组。如果有子弟“离经叛道”，甚至不愿意呆在家族公司里，他别开天地，另创了一个公司，那这个新公司就是新创建的会话组。由此可见，系统必须要有改变和设置进程组 ID 和会话 ID 的函数接口，否则，系统中只会存在一个会话、一个进程组。

这样一来，是不是就比较好理解了。

6、进程的状态

在 Linux 中，进程具有以下可能的状态：

new-表示正在创建进程。

ready-表示该进程就绪，等待分配处理器。

running -表示该进程正在执行中。

waiting-表示该进程正在等待某些事件发生（例如I / O完成或信号接收）。此外，内核还区分了两种类型的等待进程。可中断的等待过程–可以被信号中断，而不可中断的等待过程–直接在硬件条件下等待，并且不能被任何事件/信号中断。

terminated-表示该进程已完成执行。

如下图所示：

在 Linux 中，常用的 ps-ef 或 ps aux top 命令，也可以用 top 命令查看，如下图所示：

另外几个查看进程的命令， htop, jobs, fg 和 bg 命令也可以学习一下。

此外，我们还必须了解其它三种进程：

孤儿进程：一个父进程退出，而它的一个或多个子进程还在运行，那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被 init 进程(进程号为1)所收养，并由 init 进程对它们完成状态收集工作。

僵尸进程：一个进程使用 fork 创建子进程，如果子进程先退出，而父进程并没有调用 wait 或 waitpid 获取子进程的状态信息，那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵死进程。

守护进程：（英语：daemon）是一种在后台执行的程序。此类程序会被以进程的形式初始化。守护进程程序的名称通常以字母“d”结尾：例如，syslogd 就是指管理系统日志的守护进程。

Linux 系统中，每当出现一个孤儿进程的时候，内核就把孤儿进程的父进程设置为init，而 init 进程会循环地 调用 wait() ，处理已经退出的子进程。这样，当一个孤儿进程凄凉地结束了其生命周期的时候，init 进程就会代表收容所一样处理它的一切善后工作。因此孤儿进程并不会有什么危害。

而对于僵尸进程，如果进程不调用 wait / waitpid的话， 那么保留的那段信息就不会释放，其进程号就会一直被占用，但是系统所能使用的进程号是有限的，如果大量的产生僵死进程，将因为没有可用的进程号而导致系统不能产生新的进程，此即为僵尸进程的危害，应当避免。

解决：僵死进程并不是问题的根源，罪魁祸首是产生出大量僵死进程的那个父进程。因此，当我们要消灭系统中大量的僵死进程时，要做的就是把产生大量僵死进程的那个父进程杀死（通过 kill 发送 SIGTERM 或者 SIGKILL 信号）。杀死之后，产生的僵死进程就变成了孤儿进程，这些孤儿进程会被 init 进程接管。

7、进程组

进程组和会话是为了支持 shell 作业控制而引入的概念。

修改进程组 ID 的接口如下

1. int setpgid(pid_t pid, pid_t pgid);

这个函数的含义是，找到进程 ID 为 pid 的进程，将其进程组 ID 修改为 pgid，如果 pid 的值为 0，则表示要修改调用进程的进程组 ID。该接口一般用来创建一个新的进程组。

下面三个函数接口含义一致，都是创立新的进程组，并且指定的进程会成为进程组的首进程。

如果参数 pid 和 pgid 的值不匹配，那么 setpgid 函数会将一个进程从原来所属的进程组迁移到 pgid 对应的进程组。

1. setpgid(0,0)

2. setpgid(getpid(),0)

3. setpgid(getpid(),getpid())

setpgid 函数有一些限制：

1）pid 参数必须指定为调用 setpgid 函数的进程或其子进程，不能随意修改不相关进程的进程组 ID，如果违反这条规则，则返回 -1，并置 errno 为 ESRCH。

2）pid 参数可以指定调用进程的子进程，但是子进程如果已经执行了exec函数，则不能修改子进程的进程组 ID。如果违反这条规则，则返回-1，并置 errno 为 EACCESS。

3）在进程组间移动，调用进程，pid 指定的进程及目标进程组必须在同一个会话之内。这个比较好理解，不加入公司（会话），就无法加入公司下属的部门（进程组），否则就是部门要造反的节奏。如果违反这条规则，则返回-1，并置 errno 为 EPERM。

4）pid 指定的进程，不能是会话首进程。如果违反这条规则，则返回 -1，并置 errno 为 EPERM。

有了创建进程组的接口，新创建的进程组就不必继承父进程的进程组 ID 了。

最常见的创建进程组的场景就是在 shell 中执行管道命令。

代码如下：

1. cmd1 | cmd2 | cmd3

下面用一个简单的命令 ps ax|grep nfsd 来说明，其进程之间的关系如下图所示。

ps 进程和 grep 进程都是 bash 创建的子进程，两者通过管道协同完成一项工作，它们隶属于同一个进程组，其中 ps 进程是进程组的组长。

进程组的概念并不难理解，可以将人与人之间的关系做类比。一起工作的同事，自然比毫不相干的路人更加亲近。shell 中协同工作的进程属于同一个进程组，就如同协同工作的人属于同一个部门一样。

引入了进程组的概念，可以更方便地管理这一组进程了。比如这项工作放弃了，不必向每个进程一一发送信号，可以直接将信号发送给进程组，进程组内的所有进程都会收到该信号。

8、会话

当有新的用户登录 Linux 时，登录进程会为这个用户创建一个会话。

用户的登录 shell 就是会话的首进程。会话的首进程 ID 会作为整个会话的 ID。会话是一个或多个进程组的集合，包括了登录用户的所有活动。

在登录 shell 时，用户可能会使用管道，让多个进程互相配合完成一项工作，这一组进程属于同一个进程组。

前台进程和后台进程：

用户在 shell 中可以同时执行多个命令。对于耗时很久的命令（如编译大型工程），用户不必在傻傻的等待命令运行完毕才执行下一个命令。

用户在执行命令时，可以在命令的结尾添加“&”符号，表示将命令放入后台执行。这样该命令对应的进程组即为后台进程组。

在任意时刻，可能同时存在多个后台进程组，但是不管什么时候都只能有一个前台进程组。只有在前台进程组中进程才能在控制终端读取输入。当用户在终端输入信号生成终端字符（如 ctrl+c、ctrl+z、ctr+\等）时，对应的信号只会发送给前台进程组。

shell 中可以存在多个进程组，无论是前台进程组还是后台进程组，它们或多或少存在一定的联系，为了更好地控制这些进程组（或者称为作业），系统引入了会话的概念。

会话的意义在于将很多的工作集中在一个终端，选取其中一个作为前台来直接接收终端的输入及信号，其他的工作则放在后台执行。

可以使用下面几个函数来通知内核哪一个进程组是前台进程组，以便设备驱动程序知道该把终端输入和终端产生的信号发往何处。

1. #include <unistd.h>

2. #include <termios.h>

3. pid_t tcgetpgrp(int fd); /* 返回值：若成功，返回前台进程组 ID；否则，返回 -1 */

4. int tcsetpgrp(int fd, pid_t pgrpid); /* 返回值：若成功，返回 0；否则，返回 -1 */

5. pid_t tcgetsid(int fd);/* 返回值：若成功，返回会话首进程的进程组 ID；否则，返回 -1 */

一个或多个进程组的集合组成了会话，以用户登录系统为例，可能存在如下图所示的情况。

Linux 系统提供 setsid 函数来创建会话，其接口定义如下：

1. #include <unistd.h>

2. pid_t setsid(void);

如果这个函数的调用进程不是进程组组长，那么调用该函数会发生以下事情：

1）创建一个新会话，会话 ID 等于进程 ID，调用进程成为会话的首进程。

2）创建一个进程组，进程组 ID 等于进程 ID，调用进程成为进程组的组长。

3）该进程没有控制终端，如果调用 setsid 前，该进程有控制终端，这种联系就会断掉。

调用 setsid 函数的进程不能是进程组的组长，否则调用会失败，返回-1，并置 errno 为 EPERM。

这个限制的合理在于如果允许进程组组长迁移到新的会话，而进程组的其他成员仍然在老的会话中，那么，就会出现同一个进程组的进程分属不同的会话之中的情况，这就破坏了进程组和会话的严格的层次关系。

9、总结

最后来张图，帮助大家更好的了解 PID、PGID、PPID、Session 。

参考资料：《Linux 环境编程：从应用到内核》。

（END）

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