Linux 中的 session 通俗讲解及使用

在我们进入 linux 对 session 的实现之前, 先来看看 Unix 中对线程, 进程, 进程组和会话的描述:

1. 一个会话包含一些列的进程组, 一个进程组包含一系列的进程, 一个进程包含一些列的线程.
2. 一个 session 可以有一个控制终端, 通俗意义讲我们 ssh 远程连接到终端, 其实就是创建了一个终端. 但是一个 session 中最多只能有一个进程组在前台运行, 也就是连接上终端后对你的终端输入输出进行管控的那个进程组. 但我们在终端敲入一个中断信号的符号时, e.g. Ctrl+c, 这个中断信号就会发送给这个进程组的所有进程成员.
3. 所有这些都是有自己的 ID 的, 线程 ID, 进程 ID, 进程组 ID, 会话 ID

进程

一个进程的创建通常来说是从 fork() 开始的:

pid_t p;
p = fork();
if (p == (pid_t) -1)
       /* ERROR */
else if (p == 0)
        /* CHILD */
else
        /* PARENT */

简单的看就是进程的复制. 子进程通俗地讲和父进程很多方面都是相通的. 但是 fork() 给子进程返回的是 0, 给父进程返回的是子进程的 pid. 当然在子进程中也可以 getppid() 来进行获取它的 pid.
通常终止一个进程调用:

exit(n);

或者

return n;

它会给父进程返回一个 n 字节的信号. 一个进程如果终止了, 但是没有被 wait, 那么就会成为僵尸进程. 当然如果父进程早于子进程终止, 那么 1 号进程 init 会接手并且会成为子进程的父进程.
针对于信号的状态有 Stopping, Continuing 和 Terminating. SIGSTOP 就是一种强制让进程停止的信号. SIGCONT 就是继续一个之前停止的进程. 对于终止的也是频繁可见的, 比如 SIGKILL 直接让挂掉. SIGTERM 大多数情况下, 进程收到这个信号会先释放自己的资源然后退出, 但是也有资源在收到这个信号后会会做一些事情, 这些事情是可以配置的. 也就是说 SIGTERM 信号多数情况下会阻塞, 忽略. 还有我们经常用的 SIGINT (^C)`. 许多信号都有默认的动作来对目标进程的终止, 但是一般都会对应一个 core 文件. 信号是个大拿, 需要好好的学习研究. 在今后或许会出信号专题. 现在高优先级的文章有点多. 😰

进程组

每一个进程都隶属于独一无二的进程组中. 当子进程创建后, 与父进程就同属于一个进程组中, 进程组用进程组 ID 进行识别. 通常意义来说, 进程组 ID 就是这个组形成的时候的第一个进程的 ID, 这个进程也就称为了进程组爸爸. 一个进程获取当前所在进程组 ID 的方式是 getpgrp() 或者是 getpgid(0). 查看进程 p 的进程组 ID 是 getpgid(p).
有时候会使用 ps j 来查看进程的 PPID (parent process ID), PID (process ID), PGID (process group ID) and SID (session ID). 对于一些无法进行任务控制的 shell, 比如"ash". 那么所有的子进程都是在同一个 session 下, 也都在同一个进程组中. 但是对于像"bash"这种有任务控制的 shell:

% cat paper | ideal | pic | tbl | eqn | ditroff > out

这几个进程都是在一个进程组中的.
当我们想要讲一个进程加入到一个进程组的时候:

setpgid(pid, pgid);

如果 pgid == pid 或者 pgid == 0, 那么这个函数就是创建一个 pid 为爸爸的进程组. 否则的话就讲 pid 加入到 gpid 的进程组中. 如果 pid 是 0, 表示的就是当前进程. setpgrp() 等价于 setpgid(0,0)
但是 setpgid 也是有一些限制就是 pid 必须是当前进程或者是当前进程的父进程. 如果是父进程调用(加入), 那么必须要保证在 execv 之前. 还有一点是加入和被加入的都必须属于同一个会话之下. 还有就是如果 pid 是 session 爸爸, 那么调用这个方法就回报错.
通常的用法是:

p = fork();
if (p == (pid_t) -1) {
        /* ERROR */
} else if (p == 0) {    /* CHILD */
        setpgid(0, pgid);
        ...
} else {                /* PARENT */
        setpgid(p, pgid);
        ...
}

这种方式的好处是, 无论是父还是子先调度, 都能达到预期.
那么如何向进程组中的所有进程发送信号呢:

killpg(pgrp, sig);
如何等待子进程呢, 在拥有整个进程组的进程里执行:
```c
waitpid(0, &status, ...);

回想文章一开头说到一个 session 的前台只有一个进程组. 这个前台绝大多数情况下就是像 tty 这样的. 那么 tty 的输入和 tty 收到的信号(^C, ^Z 等产生的)发送到整个前台进程组.
一个进程是可以获取在当前 session 的前端进程组是什么的:

tcgetpgrp(fd);

这里的 fd 指的是控制终端 tty, 如果没有的话, 这个函数会返回一个大于 1 的任意值, 但是这个值并不是进程组 ID。
当然能获取也能设置:

tcsetpgrp(fd,pgrp);

pgrp 指的就是想要放到 session 前台的进程组. 这里需要注意的是当前调用的进程必须也是在 session 中的.
当然从哪里能获得 tty 的 fd? 从定义上讲 /dev/tty 就是指向 tty 控制终端, 这个是完全独立于标准输入输出的 (有个函数 ctermid() 可以获得控制终端的名字, 在 POSIX 下返回的是/dev/tty*). 那么打开这些个文件就能看到 fd 了.
在一个 session 中, 进程组不是在前台就是在后台. 因为用户是通过外设与前台进程进行交互的, 后台进程就应该躲的远远的. 当后台进程要从终端读取数据时, 它就会收到一个 SIGINT 的信号, 这个信号会让这个后台进程停止(不是终结), 然后任务控制 shell 发现并且告诉了用户, 然后用户就可以选择通过 fg 来让后台进程调度成前台进程进行运行, 并且能够读取终端的数据. 但是如果这个后台进程忽略 SIGINT 信号或者阻挡 SIGINT 信号, 再或者这个进程所在的进程组是孤儿(稍后解释), 那么它调用 read()去读的时候, 就会返回 EIO 错误, 并且没有信号发送. (这样做的目的就是告诉进程, 现阶段从终端获取数据不可以, 如果你看不到我发的信号, 那我就个 ERROR 让你死得瞑目).
当一个后台进程向终端写的时候, 有可能会收到 SIGOUT 信号. 这里说的有可能是看标识位设置没(默认是没有设置, 设置了就会收到).
设置标识位:

% stty tostop

清除:

% stty -tostop

查看:

% stty -a

同理, 如果 tostop 标志设置了, 并且对 SIGOUT 信号忽略或者是阻挡,当 write() 的时候, 直接返回 EIO 错误.
最后介绍一下进程组的一种特殊情况, 孤儿.
这个的定义就是当进程组的爸爸进程先于儿子们挂了, 那么这个进程组就没有爸爸了. 那么如果一个进程组成为孤儿了, 并且一些成员停止了(不知 terminate). 然后所有的成员都会收到 SIGHUP 然后是 SIGCONT 信号. 这样做的思想其实很简单: 进程组爸爸进程有可能是任务控制进程组的爸爸, 也有可能是同一个 session 下的不同进程组爸爸. 当他活着的时候能控制组里的儿子进程停止与开始, 但是一旦死掉, 就没有进程能够控制儿子进程的死活了. 因此爸爸进程死的时候附带的一些 stop 的子进程, 或者自己就会发送 SIGHUP 信号, 子进程要么也同样 stop, 要么就是捕获信号或者忽略信号. 接着就是 SIGCONT 信号让它们这些没有 stop 的子进程继续工作.
需要注意的是 session 管理者的进程组本身就是孤儿, 所有这个 leader 死掉后并不会发送 sig.

会话

每个进程组只能属于一个 session 中. (当进程创建后, 它就会成为其父进程所属的 session 的成员). 传统意义来说, session ID 等于这个 session 中第一个进程的 PID. getsid() 可以获得改 session leader 的 ID.
每个 session 可能都会有一个控制 tty, 也成为该 session 中各个成员进程的控制 tty. 这个 tty 的文件描述符是通过打开"/etc/tty"查看的, 如果打不开说明没有控制 tty. 如果给定终端的文件描述符, tcgetsid(fd) 来获取 SID.
一个 session 也经常被一个 login 进程所设定. 我们经常看到的就是登陆终端的进程成为了控制终端的会话. 所有 login process 的子进程都成为这个会话的成员.
那么如何创建一个 session 呢:

pid = setsid();

当且仅当当前进程不是进程组的 leader. 为了保证这样, 我们使用这之前会先:

p = fork();
if (p) exit(0);
pid = setsid();

是父进程就直接退出, 或者去执行其他的任务, 由子进程 PID 去创建 session 并且 SID 就是这个 PID. 并且这个进程成为了新进程组的 leader 进程.到目前, session 和进程组都只含有这一个进程, 并且还没有获得控制终端.
那么如何获取一个终端呢:
System V 的思想是第一个打开 tty 的进程成为它的控制 tty.
BSD 的思想是:

ioctl(fd, TIOCSCTTY, ...);

Linux 试图兼容两者, 于是规则变得显而易见的复杂(呵呵~), 大体是这样的:
     方法 1: ioctl 中的 “TIOCSCTTY”给我们一个控制终端, 但是得满足
          (i)当前进程是 session leader
          (ii)当前进程没有控制终端.
          (iii)控制终端不能控制着其他的 session.
     方法 2: 打开一个 tty 将会的到一个控制终端. 但是得满足
          (i)当前进程是 session leader
          (ii)当前进程没有控制终端.
          (iii)控制终端不能控制着其他的 session.
          (iv)open() 不能带有 O_NOCTTY 标志位.
          (v)这个 tty 不能是前台

HOLD ON， confused in console and terminal (ps VT), sorry......!

线程