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前背景程序、孤兒程序和daemon類程序的父子關系

前台程序、背景程序和程序父子關系

前台程序是占用目前終端的程序，隻有該程序執行完成或被終止之後，才會釋放終端并将終端交還給shell程序。

例如：

bash

1	$ sleep 30

執行該指令後，将建立sleep程序，sleep程序是目前bash程序(假如目前的shell為bash)的子程序：

bash

1 2	$ pstree -p | grep sleep |-bash(31207)---sleep(31800)

在30秒内，sleep程序将占用終端，是以此時的sleep稱為前台程序。當睡眠30秒之後，前台程序sleep退出，終端控制權交還給目前shell程序，shell程序可繼續向下運作指令或等待使用者輸入新指令。

如果給指令加上一個

&

符号，該指令将在背景運作。

bash

1	$ sleep 30 &

此時，sleep仍然是目前bash的子程序，但是它不會占用終端，而是在背景默默地運作，并且在30秒之後默默的退出。

如果是在一個子Shell環境中運作一個前台程序呢？例如：

bash

1	$ ( sleep 30 )

執行這個指令時，小括号會開啟一個子Shell環境，這相當于目前的bash程序隔離了一個bash運作時環境。sleep程序将在這個新的子Shell環境中運作，sleep仍然是目前bash的子程序。由于它會占用目前的終端，是以它是前台程序。

30秒之後，sleep程序退出，它将釋放終端，與此同時，子Shell環境也會随着sleep程序的終止而關閉。

如果不了解子Shell，也可以通過shell腳本來了解，或程式内部使用system()來了解，它們都是提供了一種執行外部指令的運作環境。

例如

bash -c 'sleep 30'

，sleep程序将在該bash程序提供的環境下運作，它是該bash程序的子程序。

再例如shell腳本：

bash

1 2 3

#!/bin/bash sleep 30

sleep将在這個bash腳本程序提供的環境下運作，它是該腳本程序的子程序。

再例如Perl腳本：

perl

1 2 3

#!/bin/perl system('sleep 30')

sleep将在這個Perl腳本程序提供的環境下運作。

需注意，程式設計語言(如Perl)可能提供多種調用外部程式的方式，比如

system('sleep 30')

和

system('sleep',30)

，這兩種方式有差別：

舉幾個例子幫助了解，假設有Perl腳本a.pl，其内三行内容為：

perl

1 2 3

system('sleep',30); #(1) system('sleep 30 ; echo hhh'); #(2) system('sleep 30'); #(3)

對于(1)，指令和參數分開，perl将直接調用sleep程式，這時的sleep程序是perl程序a.pl的子程序，且不支援使用管道

|

、重定向

> < >>

、

&&

等等屬于Shell支援的符号。

bash

1 2	$ pstree -p | grep sleep | `-bash(31696)---a.pl(32707)---sleep(32708)

對于(2)，perl将調用sh，并将參數

sleep 30; echo hhh

作為

sh -c

的參數運作，等價于

sh -c 'sleep 30; echo hhh'

，是以sh程序将是perl程序的子程序，sleep程序将是sh程序的子程序。

bash

1 2	$ pstree -p | grep sleep | `-bash(31696)---a.pl(32747)---sh(32748)---sleep(32749)

另外需要注意的是，(2)中的指令是多條指令，而不是簡簡單單的單條指令，因為識别多條指令并運作它們的能力是Shell解析提供的，是以上面涉及了Shell的解析過程。由于會調用sh指令，是以允許指令中使用Shell特殊符号，比如管道符号。

對于(3)，perl本該調用sh，并将

sleep 30

作為

sh -c

的參數運作。但此處是一個簡單指令，不涉及任何Shell解析過程，是以會優化為等價于

system('sleep', 30)

的方式，即不再調用sh，而是直接調用sleep，也即sleep不再是sh的子程序，而是perl程序的子程序：

bash

1 2	$ pstree -p | grep sleep | `-bash(31696)---a.pl(32798)---sleep(32799)

其實子shell中運作指令和system()運作指令的行為是類似的：

bash

1 2 3 4 5 6

# sleep程序是目前shell程序的子程序 $ (sleep 30) # 目前shell程序會建立一個子bash程序 # sleep程序和echo程序是該子bash程序的子程序 $ (sleep 30 ; echo hhh)

了解以上插曲後，想必能清晰地了解如下結論：

孤兒程序和Daemon類程序

如果在程序B退出前，父程序先退出了呢？這時程序B将成為孤兒程序，因為它的父程序已經死了。

孤兒程序會被PID=1的systemd程序收養，是以程序B的父程序PPID會從原來的程序A變為PID=1的systemd程序。

注意，孤兒程序會繼續保持運作，而不會随父程序退出而終止，隻不過其父程序發生了改變。

例如，在子Shell中運作背景指令：

bash

1	$ (sleep 30 &)

因為背景符号

&

是屬于Shell的，是以涉及到shell的解析過程，是以目前bash程序會建立一個子bash程序來解析指令并提供sleep程序的運作環境。

sleep程序将在這個子bash程序環境中運作，但因為它是一個背景指令，是以sleep程序建立成功之後立即傳回，由于小括号内已經沒有其它指令，子bash程序會立即終止。這意味着sleep将成為孤兒程序：

bash

1 2 3

$ ps -o pid,ppid,cmd $(pgrep sleep) PID PPID CMD 32843 1 sleep 30

再比如，Shell腳本内部運作一個背景指令，并且讓Shell腳本在背景指令退出前先退出。

bash

1 2 3 4

#!/bin/bash sleep 300 & echo over

當上述腳本運作時，sleep在背景運作并立即傳回，于是立即執行echo程序，echo執行完成後腳本程序退出。

腳本程序退出前，sleep程序的父程序為腳本程序，腳本程序退出後，sleep程序成為孤兒程序繼續運作，它會被systemd程序收養，其父程序變成PID=1。

當一個程序脫離了Shell環境後，它就可以被稱為背景服務類程序，即Daemon類守護程序，顯然Daemon類程序的PPID=1。當某程序脫離Shell的控制，也意味着它脫離了終端：當終端斷開連接配接時，不會影響這些程序。

需特别關注的是建立Daemon類程序的流程：先有一個父程序，父程序在某個時間點fork出一個子程序繼續運作代碼邏輯，父程序立即終止，該子程序成為孤兒程序，即Daemon類程序。當然，要建立一個完善的Daemon類程序還需考慮其它一些事情，比如要獨立一個會話和程序組，要關閉stdin/stdout/stderr，要chdir到/下防止檔案系統錯誤導緻程序異常，等等。不過最關鍵的特性仍在于其脫離Shell、脫離終端。

為什麼要fork一個子程序作為Daemon程序？為什麼父程序要立即退出？

所有的Daemon類程序都要脫離Shell脫離終端，才能不受終端不受使用者影響，進而保持長久運作。

在代碼層面上，脫離Shell脫離終端是通過setsid()建立一個獨立的Session實作的，而程序組的首程序(pg leader)不允許建立新的Session自立山頭，隻有程序組中的非首程序(比如程序組首程序的子程序)才能建立會話，進而脫離原會話。

而Shell指令行下運作的指令，總是會建立一個新的程序組并成為leader程序，是以要讓該程式成為長久運作的Daemon程序，隻能建立一個新的子程序來建立新的session脫離目前的Shell。

另外，父程序立即退出的原因是可以立即将終端控制權交還給目前的Shell程序。但這不是必須的，比如可以讓子程序成為Daemon程序後，父程序繼續運作并占用終端，隻不過這種代碼不友好罷了。

換句話說，當使用者運作一個Daemon類程式時，總是會有一個瞬間消失的父程序。

前面示範的幾個孤兒程序示例已經說明了這一點。為了更接近實際環境，這裡再用nginx來論證這個現象。

預設配置下，nginx以daemon方式運作，是以nginx啟動時會有一個瞬間消失的父程序。

bash

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

$ ps -o pid,ppid,comm; nginx; ps -o pid,ppid,comm $(pgrep nginx) PID PPID COMMAND 34126 34124 bash 34194 34126 ps PID PPID COMMAND 34196 1 nginx 34197 34196 nginx 34198 34196 nginx 34200 34196 nginx 34201 34196 nginx

第一個ps指令檢視到目前配置設定到的PID值為34194，下一個程序的PID應該配置設定為34195，但是第二個ps檢視到nginx的main程序PID為34196，中間消失的就是nginx main程序的父程序。

可以修改配置檔案使得nginx以非daemon方式運作，即在前台運作，這樣nginx将占用終端，且沒有中間的父程序，占用終端的程序就是main程序。

bash

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

$ ps -o pid,ppid,comm; nginx -g 'daemon off;' & PID PPID COMMAND 34126 34124 bash 34439 34126 ps #--> ps PID=34439 [1] 34440 #--> NGINX PID=34440 [~]->$ ps -o pid,ppid,comm $(pgrep nginx) PID PPID COMMAND 34440 34126 nginx 34445 34440 nginx 34446 34440 nginx 34447 34440 nginx 34448 34440 nginx

最後，需要區分背景程序和Daemon類程序，它們都在背景運作。但普通的背景程序仍然受shell程序的監督和管理，使用者可以将其從背景排程到前台運作，即讓其再次獲得終端控制權。而Daemon類程序脫離了終端、脫離了Shell，它們不再受Shell的監督和管理，而是接受pid=1的systemd程序的管理。