《C++新经典Linux C++通信架构实战》第3章 Nginx开发初步

3.1 学习Nginx源码前的准备工作

3.1.1 Nginx源码总述

src目录，源代码目录
	1. core，核心代码
	2. event，event(事件)模块相关代码
	3. http，http(Web服务)模块相关代码
	4. mail，邮件模块相关代码
	5. os，操作系统相关代码
	6. stream，流处理相关代码

3.1.2 Nginx源码查看工具

Visual Studio Code

3.1.3 Nginx源码入口函数定位

搜索“main(”

3.1.4 创建Linux下C语言程序

3.1.c
#include <stdio.h>

int main(int argc, char *const *argv){
	printf("study together!\n");
	return 0;
}
# gcc 3.1.c -o 3.1 && ./3.1

Linux下文件权限符"drwxrwxrwx"

  • d表示目录
  • read(r), write(w), execute(x)
  • 3个字符一组，共3组，表示当前用户权限，同组用户权限，其他用户权限
  • 目录权限，r能被浏览（ls）；w能新建、删除、修改、移动目录内的文件；x进入目录权限（cd）

3.2 Nginx源码学法，终端和进程的关系

3.2.1 Nginx源码学习方法

泛读Nginx中重要代码，提取使用。

3.2.2 终端和进程的关系

  1. 终端与bash进程

每个虚拟终端（pts）连到虚拟机，都会打开一个bash进程（shell壳）。输入命令黑窗就是bash（shell，命令行解释器是个可执行程序），用于解释用户输入的命令。

ps -ef | grep bash

whereis bash
  1. 终端上开启进程
3.2.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *const *argv){
	printf("开始!\n");
	while(1){
		sleep(1);
		printf("休息1秒!\n");
	}
	printf("退出!\n");
	return 0;
}

gcc -o 3.2 3.2.c && ./3.2
ps -la
#l，长显示输出格式
#a，显示终端上的所有进程，包括其他终端上的进程

随着终端退出，该终端上运行的进程（nginx）也退出了。

init进程（操作系统启动时内核自己创建出来的，具有超级用户特权），进程ID(PID)是1。

  • init进程（初始进程）

—fork➡

  • getty进程（打开终端设备【文件描述符0，1，2】，读取用户和环境信息）

—exec➡

  • login进程/sshd远程登录服务进程（处理登录信息：虚拟机用终端tty登录通过login进程处理，XShell登录通过sshd远程登录服务进程处理）

—fork➡

  • bash(shell)进程（执行bash进程）

—fork➡

  • cp、ps、ls、rm、mkdir、vim、nginx等进程（执行各种用户命令、用户进程）
  1. 进程关系进一步分析
  • 会话（session），进程组的集合。
  • 进程组（分组方便管理，例如给整个组发消息），进程的集合。
  • 进程组中各个进程，可以独立接收来自终端的各种信号。

进程ID（PID），父进程ID（PPID），进程组ID（PGRP，与进程组ID相同的进程叫进程组组长），会话ID（SID，等于会话首进程ID）。

通常一个bash（shell）上所有进程都属于同一个会话。
会话首进程（session leader，创建会话的进程），通常是这个shell（bash）。

ps -eo pid,ppid,sid,tty,pgrp,comm | grep -E 'bash|PID|nginx'
#e，所有进程
#o，指定显示列
#sid，session id；tty，终端；pgrp，进程组；comm，执行的命令。
#-E，开启扩展正则表达式，'bash|PID|nginx'中‘|’表示或者

Xshell终端断开，系统会给会话首进程（这个bash进程）发送SIGHUP信号（终端断开），bash进程收到SIGHUP信号后，将这个信号发给session里的所有进程（最后发给自己），收到SIGHUP信号的进程默认动作就是退出。

  1. strace工具的使用

调试分析诊断工具，跟踪程序执行时进程的系统调用（system call）和所接收到的信号。

sudo strace -e trace=signal -p 1157
#si_pid，发送信号者（谁发来的信号）
#kill，发送信号

跟踪PID1157的进程上与信号（signal）有关的系统调用。

int abc = 4294966139;
等价于
int abc = -1157;

kill -1157（负值表示给进程组发送信号）表示给进程组1157发送信号。
kill sid(通常会话id和bash进程id一致)，bash收到SIGHUP信号时，先将该信号发给session内其它进程（各个进程组内进程，只要session ID相同），然后将SIGHUP信号发送给自己。

  1. 终端关闭时不退出进程
gcc nginx.c -o nginx

ps -eo pid,ppid,sid,tty,pgrp,comm | grep -E 'bash|PID|nginx'
ps -ef | grep -E 'bash|PID|nginx'

（1）拦截SIGHUP信号

3.3.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

int main(int argc, char *const *argv){
	signal(SIGHUP, SIG_IGN);//ignore SIGUP
	printf("begin!\n");
	while(1){
		sleep(1);
		printf("sleep 1s!\n");
	}
	printf("end!\n");
	return 0;
}

gcc 3.3.c -o 3.3 && ./3.3

ps -ef | grep '3\.3'

终端(bash)断开后，该进程TT变为?(孤儿进程)，PPID变为1(init进程收养)。

（2）进程和终端bash进程在不同session中

3.4.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
int main(int argc, char *const *argv) {
	setsid();
	printf("begin!\n");
	while(1){
		sleep(1);
		printf("sleep 1s!\n");
	}
	printf("end!\n");
	return 0;
}

进程组组长调用setsid()无效。

gcc 3.4.c -o 3.4 && ./3.4

ps -ef | grep '3\.4'
3.5.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

int main(int argc, char *const *argv) {
	printf("开始!\n");
	pid_t pid = fork();
	if(pid<0){
		printf("fork进程出错！\n");
	} else if(pid==0) { //子进程
		setsid();//子进程调用setsid()有效，TT变为?。
		while(1) {
			sleep(1);
			printf("子进程休息1s！\n");//注意即使TT为?,当前终端（关联终端）仍会输出
		}
	} else {//父进程
		//setsid();//父进程，进程组组长，调用setsid()无效。
		while(1) {
			sleep(1);
			printf("父进程休息1s！\n");
		}
	}
	printf("退出!\n");
	return 0;
}

gcc 3.5.c -o 3.5 && ./3.5

ps -ef | grep '3\.5'

关闭当前终端后，父进程退出，子进程仍运行，变成孤儿进程。

（3）setsid命令启动进程
使启动的进程在新的session中，终端关闭时不会退出。
nginx.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

int main(int argc, char *const *argv){
	printf("begin!\n");
	while(1){
		sleep(1);
		printf("sleep 1s!\n");
	}
	printf("end!\n");
	return 0;
}

gcc nginx.c -o nginx
setsid ./nginx

PPID为1，TT为?。

（4）nohup(no hang up不挂断)
nohup命令启动的程序会忽略SIGHUP信号，与程序内编写忽略SIGHUP信号等价。

nohup ./nginx

nohup命令将输出重定向到当前目录的nohup.out文件中。

关闭终端后，进程PPID为1，TT为?。

  1. 后台执行（运行）
./nginx &
#fg，切换当前后台进程到前台
#fg jobnumber（是命令编号），选定进程
#bg jobnumber，后台暂停进程后台继续执行
#jobs，查看后台进程
#kill %jobnumber（jobs）
#kill pid（ps）
#Ctrl+C，终止前台
#Ctrl+Z，前台变后台且暂停
#nohup ./nginx &，后台运行且终端断开进程不退出

后台执行，终端能同时做其他事情；
Ctrl+C（中断键）能停止前台进程，无法终止后台进程；
终端连接断开，后台进程被关闭（退出）。

3.3 信号的概念、认识、处理动作

3.3.1 信号的基本概念

信号（突然事件，异步发生，“软件中断”），就是一个通知（事件通知），用来通知进程发生了事件。

信号产生：

  • 进程发送给其他进程或自己
    ngnix热升级启动新master进程时，向旧msater进程发送信号。

  • 内核发送给进程
    ①键盘输入命令动作，Ctrl+C(中断信号)；kill命令。
    ②内存访问异常。除数为0，硬件检测到并通知内核。

信号名，SIG开头（宏定义），数字（1开始编号），signal.h。

sudo find / -name "signal.h" | xargs grep -in "SIGHUP"
#xargs，打开文件找
#i，忽略大小写
#n，显示行号

3.3.2 通过kill命令认识一些信号

向进程发送信号。
绝大多数信号的默认动作，是终止收到信号的进程。

kill pid（默认-15），向进程发送SIGTERM终止信号
kill -1 pid，向进程发送SIGHUP挂断信号
kill -2 pid，向进程发送SIGINT中断信号

kill参数该参数发出信号内核默认动作
-1SIGHUP（连接断开）终止掉进程（进程没了）
-2SIGINT（终端中断符，Ctrl+C）终止掉进程（进程没了）
-3SIGQUIT（终端退出符，Ctrl+\）终止掉进程（进程没了）
-9SIGHUPKILL（终止）终止掉进程（进程没了）
-18SIGCONT（暂停进程继续）忽略（进程运行不受影响）
-19SIGSTOP（停止），可用SIGCONT继续，但任务被放到了后台停止进程（不是终止，进程还在）
-20SIGSTP（终端停止符，Ctrl+Z），可用SIGCONT继续，但任务被放到了后台停止进程（不是终止，进程还在）

3.3.3 进程状态

ps -eo pid,ppid,sid,tty,pgrp,comm,stat | grep -E "bash|PID|nginx"
# stat，查看进程状态

ps -ef| grep -E "bash|PID|nginx"

ps aux| grep -E "bash|PID|nginx"
#aux，BSD风格的显示格式
进程状态含义
D不可中断的休眠状态（通常是I/O的进程），可以处理信号，有延迟
R可执行状态 & 运行状态（在运行队列里的状态）
S可中断的休眠状态之中（等待某事件完成），可以处理信号
T停止或被追踪（被作业控制信号锁停止）
Z僵尸进程
X死掉的进程
<高优先级进程
N低优先级进程
L有些页被锁进内存
ssession leader，其下有子进程
t追踪期间被调试器停止
+位于前台的进程组

3.3.4 常用信号

信号名称信号含义
SIGHUP（连接断开）终端断开信号。Xshell断开发送，-1，发送到终端所在的会话首进程。
SIGALRM（定时器超时）alarm创建定时器，超时产生。
SIGINT（中断）Ctrl+C，终止进程。后台进程忽略。
SIGSEGV（无效内存）SEGV，段违例（segmentation violation），内存访问异常，除数为0等，硬件检测到并通知内核。
SIGIO（异步I/O）通信套接口有数据到达或发生异步错误，内核向进程通知该信号。
SIGCHILD（子进程改变）进程终止或停止，该信号发送给父进程。
SIGUSR1、SIGUSR2（用户定义信号）用于应用程序。
SIGTERM（终止）kill pid产生，退出前处理工作，优雅退出。
SIGKILL（终止）不能被忽略，不能被进程本身捕捉，杀死任意进程。
SIGSTOP（停止）不能被忽略，不能被进程本身捕捉，停止执行进程。 SIGCONT信号继续执行，但会放入后台。
SIGQUIT（终端退出符）Ctrl+\，shell会将后台进程对该信号的处理设置为忽略（后台进程不会收到该信号）。
SIGCONT（使暂停进程继续）继续运行暂停的进程。
SIGTSTP（终端停止符）Ctrl+Z，进程被停止且放入后台，可以用SIGCONT继续执行。

3.3.5 信号处理的相关动作

  • 执行系统默认动作
    绝大多数情况，内核（操作系统）会杀死（或暂停）进程。

  • 忽略此信号
    2个信号（特权信号）不能忽略，SIGKILL（-9，终止）和SIGSTOP（-19，暂停）。

signal(SIGHUP, SIG_IGN);
  • 捕捉该信号
    写信号处理函数，当系统收到该信号时，会自动调用信号处理函数。
    2个信号（特权信号）不能被捕捉，SIGKILL和SIGSTOP。

3.4 UNIX/Linux体系结构、信号编程初步

3.4.1 UNIX/Linux操作系统体系结构

  • （1）操作系统/内核——软件。用于控制计算机硬件资源，提供应用程序运行的环境。程序，要么运行在用户态，要么运行在内核态。一般情况下运行在用户态，程序执行特殊代码时，切换到内核态（操作系统控制）。

    应用程序通过shell、公共函数库进行系统调用（内核的对外接口，访问磁盘，内存等资源）。

  • （2）系统调用函数库，系统内部高度封装，调用即可。

  • （3）bash（borne again shell），shell的一种，命令行解释器。位于系统调用和应用程序之间，分隔系统调用和应用程序，胶水（将系统调用和应用程序粘在一起）作用。

whereis bash
ps
exit

操作系统内核部分有进程管理（CPU）、内存管理（RAM）、文件系统（磁盘/存储设备）、设备驱动（各种终端设备）、网络（网卡）等各种资源的管理。操作系统内核和用户空间（应用程序），通过系统调用（system call）接口实现对各种资源功能的调用。

  • （4）用户态内核态之间的切换

进程大部分时间处于用户态下，需要内核提供服务才切换到内核态，内核态任务处理完成后，又切换回用户态。
分用户态，内核态的目的：
①用户态权限小，内核态权限大。权限大，能做危险事情（处理内存、处理时钟等），交由内核态处理，避免系统处于危险状态甚至崩溃，只提供调用接口。
②系统提供并统一管理调用接口。系统资源有限，避免发生访问冲突，资源耗尽等导致系统崩溃，系统接口用于减少有限资源访问和使用的冲突。

用户态切换到内核态时间：
①系统调用。malloc
②异常事件。收到信号，调用信号处理函数，系统跳到内核态做一些调用该信号处理函数的准备工作
③外围设备的中断。外围设备完成用户的请求操作后，会向CPU发出中断信号，此时CPU就会暂停执行下一条即将执行的指令，转而去执行中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令处于用户态下，就会发生用户态到内核态的转换。

3.4.2 signal函数

忽略或捕捉信号。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void sig_usr(int signo) {
	if(signo == SIGUSR1) {
		printf("收到了SIGUSR1信号!\n");
	} else if(signo == SIGUSR1) {
		printf("收到了SIGUSR2信号!\n");
	} else {
		printf("收到了未捕捉的信号%d!\n", signo);
	}
}

int main(int argc, char *const *argv) {
	printf("开始!\n");
	if(signal(SIGUSR1, sig_usr) == SIG_ERR) {
		printf("无法捕捉SIGUSR1信号!\n");
	}
	if(signal(SIGUSR2, sig_usr) == SIG_ERR) {
		printf("无法捕捉SIGUSR2信号!\n");
	}
	while(1) {
		sleep(1);
		printf("休息1s！\n");
	}
	printf("退出!\n");
	return 0;
}

kill -USR1 pid
kill -USR2 pid

进程执行过程中，信号到来引发的用户态和内核态之间的切换过程:

  • 进程nginx正常执行，突然到来信号导致nginx进程的流程被打断，进程从用户态切换到内核态（做一些调用信号处理函数的准备工作）；
  • 为了调用注册的信号处理函数sig_usr，又从内核态切换到用户态；
  • sig_usr执行完毕后，从用户态切换到内核态（做一些信号处理函数的收尾工作）；
  • 从内核态切换到用户态，从之前被打断的nginx进程的执行流程处开始继续执行。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

int g_mysign = 0;
void muNEfunc(int value) {
	g_mysign = value;
}
void sig_usr(int signo) {
	muNEfunc(22);
	if(signo == SIGUSR1) {
		printf("收到了SIGUSR1信号!\n");
	} else if(signo == SIGUSR1) {
		printf("收到了SIGUSR2信号!\n");
	} else {
		printf("收到了未捕捉的信号%d!\n", signo);
	}
}

int main(int argc, char *const *argv) {
	printf("开始!\n");
	if(signal(SIGUSR1, sig_usr) == SIG_ERR) {
		printf("无法捕捉SIGUSR1信号!\n");
	}
	if(signal(SIGUSR2, sig_usr) == SIG_ERR) {
		printf("无法捕捉SIGUSR2信号!\n");
	}
	while(1) {
		sleep(1);
		printf("休息1s！\n");
		muNEfunc(15);//此时收到SIGUSR1信号会改变g_mysign的值
		printf("g_mysign=%d\n", g_mysign);
	}
	printf("退出!\n");
	return 0;
}
  1. 可重入函数

可重入的函数（或异步信号安全的函数），指在信号处理函数中调用是安全的函数。
可重入函数（即可以被中断的函数）可以被一个以上的任务调用，而不担心数据破坏。可重入函数在任何时候都可以被中断，而一段时间之后又可以恢复运行，而相应的数据不会破坏或者丢失。

信号处理函数中处理方法：
（1）尽量调用简单语句，尽量不要调用系统函数（malloc，printf等非可重入函数）。
（2）只调用可重入系统函数（搜索Linux可重入函数）。
（3）调用了可能修改errno值的可重入系统函数，先备份errno，信号处理函数返回前恢复errno值。

#include <errno.h>

void sig_usr(int signo) {
	int myerrno = errno;//备份errno
	//调用可能修改errno值的可重入系统函数
	errno = myerrno;//还原errno
}
  1. 不可重入函数的错用示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void sig_usr(int signo) {
	if(signo==SIGUSR1) {
		printf("SIGUSR1\n");
	}else if(signo==SIGUSR2) {
		printf("SIGUSR2\n");
	}else{
		printf("Unknown Signal: %d\n", signo);
	}
}

int main(int argc, char *const *argv) {
	if(signal(SIGUSR1, sig_usr) == SIG_ERR) {
		printf("Catch SIGUSR1 Error\n");
	}
	if(signal(SIGUSR2, sig_usr) == SIG_ERR) {
		printf("Catch SIGUSR2 Error\n");
	}
	while(1) {
		int *p;
		p = (int *)malloc(sizeof(int));
		
		sleep(1);
		printf("Sleep 1s\n");
		
		free(p);
	}
	printf("Over\n");
	return 0;
}

kill -USR1 pid
kill -USR2 pid

正常运行。

修改sig_usr。


void sig_usr(int signo) {
	int *p = (int *)malloc(sizeof(int)); 
	//非可重入函数
	//像printf()和malloc()之类的标准库函数，它们会使用全局的数据（比如malloc()需要使用进程的堆数据结构）是不可重入的，即使加锁也无法解决，加锁可以使得库函数Tread-safe，但是无法解决可重入。
	//malloc并不是简单的一条指令，内部比如有加锁和开锁功能，main函数中调用malloc函数中刚加锁，然后信号处理函数中断，sig_usr调用malloc，再一次加锁，发生错误。
	
	free(p);
	
	if(signo==SIGUSR1) {
		printf("SIGUSR1\n");
	}else if(signo==SIGUSR2) {
		printf("SIGUSR2\n");
	}else{
		printf("Unknown Signal: %d\n", signo);
	}
}

3.5 信号编程进阶

3.5.1 信号集（信号屏蔽字）

当收到某个信号，启动执行信号处理函数的时候，通常会“屏蔽/阻塞”其后的相同信号，直到信号处理函数执行结束。

进程会记录当前阻塞了哪些信号。收到某个信号时，系统将标记正在处理该信号的标志设置为1，然后去执行信号处理函数，若执行期间再次收到该信号，系统检测到该信号的标志已经为1，后面的相同信号就需要排队等待（等待调用信号处理函数处理）或直接被忽略（丢失）。当信号处理函数执行完毕，再把该信号对应标志设置回0。

sigset_t表示信号集数据类型。

typedef struct {
 unsigned long sig[2];//8*4*2个信号，来（1）或没来（0）
}sigset_t;

3.5.2 信号相关函数

（1）sigemptyset
所有信号清零，所有信号没来。
（2）sigfillset
所有信号设置为1，到来的任何信号都会排队或被忽略。
（3）sigaddset增加信号（设置为1），sigdelset删除信号（设置为0）
（4）sigprocmask设置进程信号集（进程有默认信号集），sigismember检测信号集特定信号是否被置位。

3.5.3 sigprocmask等信号函数

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

//信号处理函数，可被中断
//即信号处理函数注册多个信号，当处理第一个信号时，可被第二个信号中断
void sig_quit(int signo) {
	printf("SIGQUIT\n");

	/*
	//第二次收到SIGQUIT信号时，采用默认处理，即显示Quit后立即终止。
	if(signal(SIGQUIT, SIG_DFL) == SIG_ERR) {
		printf("SIGQUIT Default Handle Error!\n");
		exit(1);
	}
	*/
}

int main(int argc, char *const *argv) {
	sigset_t newmask;//新信号集
	sigset_t oldmask;//旧信号集
	sigset_t pendmask;

	//Ctrl+\, SIGQUIT
	if(signal(SIGQUIT, sig_quit) == SIG_ERR) { //注册信号对应的信号处理函数
		printf("Catch SIGQUIT Error!\n");
		exit(1);
	}

	//newmask信号集中所有信号清零（这些信号都没有来）
	sigemptyset(&newmask);

	//newmask信号集中SIGQUIT信号置1，再来SIGQUIT信号进程收不到
	sigaddset(&newmask, SIGQUIT);
	
	//设置进程信号集
	//SIG_BLOCK表示，设置进程新的信号屏蔽字newmask为进程当前信号屏蔽字（开始全部为0）和newmask的并集（或），（屏蔽了SIGQUIT信号，只有SIGQUIT位为1）
	//oldmask，保存老的信号集（全部为0，无信号屏蔽），用于恢复。
	if(sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, &oldmask) < 0) {
		printf("sigprocmask(SIG_BLOCK) Error!\n");
		exit(1);
	}

	printf("sleep 10s--begin--, cannot receive SIGQUIT!\n");
	sleep(10);
	printf("sleep 10s--end--, cannot receive SIGQUIT!\n");

	if(sigismember(&newmask, SIGQUIT)) {
		printf("SIGQUIT is shielded\n");//SIGQUIT信号被进程屏蔽
	} else {
		printf("SIGQUIT is not shielded");
	}
	
	if(sigismember(&newmask, SIGHUP)) {
		printf("SIGHUP is shielded");
	} else {
		printf("SIGHUP is not shielded\n");//
	}

	//取消SIGQUIT信号的屏蔽（阻塞）——信号集还原
	//SIG_SETMASK表示，设置当前进程信号屏蔽字为oldmask（全0，无信号屏蔽）
	if(sigprocmask(SIG_SETMASK, &oldmask, NULL) < 0) {
		printf("sigprocmask(SIG_SETMASK) Error!\n");
		exit(1);
	}
	printf("sigprocmask(SIG_SETMASK) Success!\n");

	if(sigismember(&oldmask, SIGQUIT)) {
		printf("SIGQUIT is shielded\n");
	} else {
		printf("SIGQUIT is not shielded, sleep 10s\n");
		int mysl = sleep(10);//收到信号会中断休眠，返回剩下时间
		if(mysl>0)
			printf("left %ds\n", mysl);
	}
	
	printf("Over\n");
	return 0;
}

运行进程时连续输入5个Ctrl+\（SIGQUIT），进程却只收到1个，说明信号有等待机制（信号SIGQUIT被屏蔽时发出SIGQUIT信号，后续该信号屏蔽被取消时能够收到），但无法允许多个相同的信号排队等待（5个SIGQUIT信号被合并成1个）

3.6 fork函数

3.6.1 简单认识

  1. 进程概念

多个进程可共享同一个可执行文件（程序），进程一般定义为程序执行的一个实例。fork用于进程中创建子进程，当该子进程创建时，它从fork函数的下一条语句（或者说从fork的返回处）开始执行与父进程相同的代码。fork后父子进程执行的先后顺序并不确定（与内核调度算法有关）。

  1. 简单范例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

//信号处理函数
void sig_usr(int signo) {
	printf("Signal=%d, PID=%d\n", signo, getpid());
}

int main(int argc, char *const *argv) {
	pid_t pid;
	
	printf("Start\n");
	if(signal(SIGUSR1, sig_usr) == SIG_ERR) {
		printf("Catch SIGUSR1 Error\n");
		exit(1);
	}
	
	pid = fork();
	
	if(pid<0) {
		printf("Create Process Error\n");
		exit(1);
	}

	//父子进程同时运行
	while(1) {
		sleep(1);
		printf("Sleep 1s, PID=%d\n", getpid());
	}
	printf("Over, PID=%d\n", getpid());
	return 0;
}

子进程被杀死（SIGKILL）后，父进程收到了SIGCHILD信号，子进程变为僵尸进程（COMMAND显示defunct（失效），STAT显示Z）

  1. 僵尸进程的产生和解决

子进程终止了，父进程还活着，但该父进程未调用函数（wait/waitpid）来进行额外处置（处置子进程终止这件事），子进程将变成僵尸进程（未释放资源，比如PID）。

杀掉父进程，僵尸进程会自动消失；
子进程终止或停止时，父进程会收到SIGCHILD信号，可以在信号处理函数中调用wait/waitpid函数，释放僵尸进程。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>

//信号处理函数
void sig_usr(int signo) {
	int status;
	switch(signo) {
	case SIGUSR1:
		printf("SIGUSR1, PID=%d\n", getpid());
		break;
	case SIGCHILD:
		printf("SIGCHILD, PID=%d\n", getpid());
		//-1，任意子进程
		//status，保存子进程的状态信息
		//WNOHANG，非阻塞
		pid_t pid = waitpid(-1, &status, WNOHANG);
		//pid==0，子进程未结束，这里不会为0，子进程结束才触发SIGCHILD信号处理函数。
		//pid==-1，waitpid调用有错误
		break;
	}
}

int main(int argc, char *const *argv) {
	pid_t pid;
	
	if(signal(SIGUSR1, sig_usr) == SIG_ERR) {
		printf("Catch SIGUSR1 Error\n");
		exit(1);
	}
	
	if(signal(SIGCHILD, sig_usr) == SIG_ERR) {
		printf("Catch SIGCHILD Error\n");
		exit(1);
	}
	
	pid = fork();
	
	if(pid<0) {
		printf("Create Process Error\n");
		exit(1);
	}

	//父子进程同时运行
	while(1) {
		sleep(1);
		printf("Sleep 1s, PID=%d\n", getpid());
	}
	printf("Over, PID=%d\n", getpid());
	return 0;
}

3.6.2 进一步认识

fork产生的子进程和父进程共享内存空间，采用写时复制（修改内存后，复制一份内存给进程单独使用，避免相互影响），提高执行效率。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

//4个进程
int main(int argc, char *const *argv) {
	fork();
	fork();
	
	while(1) {
		sleep(1);
		printf("Sleep 1s, PID=%d\n", getpid());
	}
	printf("Over, PID=%d\n", getpid());
	return 0;
}

3.6.3 完善fork代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

int g_mygbltest = 0;
int main(int argc, char *const *argv) {
	pid_t pid;
	
	printf("Start\n");
	
	pid = fork();
	if(pid<0) {
		printf("Create Process Error\n");
		exit(1);
	}

	if(pid==0) {//子进程
		while(1) {
			g_mygbltest++;
			sleep(1);
			printf("Child Process, PID=%d, g_mygbltest=%d\n", getpid(), g_mygbltest);
		}
	} else {//父进程
		while(1) {
			g_mygbltest++;
			sleep(1);
			printf("Parent Process, PID=%d, g_mygbltest=%d\n", getpid(), g_mygbltest);
		}
	}
	printf("Over, PID=%d\n", getpid());
	return 0;
}

3.6.4 fork执行相关的逻辑判断

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

//7个进程
int main(int argc, char *const *argv) {
	(fork() && fork()) || (fork() && fork());
	
	while(1) {
		sleep(1);
		printf("Sleep 1s, PID=%d\n", getpid());
	}
	printf("Over, PID=%d\n", getpid());
	return 0;
}
((fork()&&fork()))||((fork()&&fork()))进程
①pid=0 False①①pid=0 False1
①②pid>0 True①②①pid=0 False2
①②②pid>0 True3
②pid>0 True②①pid=0 False②①①pid=0 False4
②①②pid>0 True②①②①pid=0 False5
②①②②pid>0 True6
②②pid>0 True7

3.6.5 fork失败的可能原因

  • 系统中进程太多
    系统PID有限，默认最大PID为32767，僵尸进程占据PID。
  • 创建进程数超过当前用户允许创建的最大进程数
printf("每个用户允许创建的最大进程数=%ld\n", sysconf(_SC_CHILD_MAX));

3.7 守护进程

3.7.1 普通进程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

//7个进程
int main(int argc, char *const *argv) {
	while(1) {
		sleep(1);
		printf("Sleep 1s, PID=%d\n", getpid());
	}
	printf("Over, PID=%d\n", getpid());
	return 0;
}

终端退出，进程消失。
运行进程的终端被占用，不能做其他事。

3.7.2 守护进程基本概念

一种长期在后台运行，不与任何控制终端关联的进程。

基本特点：

  • 生存期长，一般操作系统启动时启动，操作系统关闭时关闭。
  • 无关联控制终端，终端退出不会导致守护进程退出。
  • 后台默默运行，不会占着终端。
ps -efj
#e，所有进程
#f，完整格式信息
#j，显示与任务或者作业有关信息

  • PPID为0的是内核进程，超级用户特权进程，随系统启动。

  • CMD列中，中括号[]为内核守护进程，kthreadd是其他内核守护进程的父进程，PID为2。

  • 老祖宗进程init，系统守护进程，收养孤儿进程，PID为1.

  • 不带中括号[]的普通守护进程（用户级守护进程）：
    rsyslogd，系统消息日志有关的进程
    cron，某个时间执行命令
    sshd，安全远程登录进程

守护进程的共同点：

  • 大多数守护进程以超级用户特权运行（做事情需要权限）
  • 没有控制终端，TTY显示?。内核守护进程以无控制终端方式启动，普通守护进程可能是守护进程调用setsid启动。

3.7.3 守护进程编写规则

  1. 调用umask(0)
    umask函数，限制（屏蔽）一些文件权限。umask(0)，不让它限制文件权限（守护进程可能要创建文件），并给这个文件设置一定的权限。

  2. fork子进程，然后退出父进程

  • 命令行（shell）启动进程，父进程终止会空出终端。
  • fork的子进程，能够成功调用setsid函数。

（1）文件描述符，标识文件
0，标准输入，键盘输入，STDIN_FILENO
1，标准输出，屏幕显示，STDOUT_FILENO
2，错误输出，屏幕显示，STDERR_FILENO
程序运行时，自动打开3个文件描述符。
（2）输入输出重定向

ls -la > myoutfile

cat < myoutfile

cat < myoutfile > myoutfile2

(3)空设备
“/deb/null”，黑洞设备，特殊的设备文件，丢弃（吞噬）一切写入其中的数据。

cat nginx.c > /dev/null

//读写方式打开黑洞设备
int fd = open("/dev/null", O_RDWR); //NULL

//先关闭STDIN_FILENO（已经打开的文件描述符，改动之前先关闭）
//让STDIN_FILENO指向fd所指的内容（/dev/null）
//类似于指针指向NULL，让/dev/null成为标准输入
dup2(fd, STDIN_FILENO); //close(STDIN_FILENO), STDIN_FILENO=fd;

//先关闭STDOUT_FILENO（已经打开的文件描述符，改动之前先关闭）
//让STDOUT_FILENO指向fd所指的内容（/dev/null）
//类似于指针指向NULL，让/dev/null成为标准输出
dup2(fd, STDOUT_FILENO); //close(STDOUT_FILENO), STDOUT_FILENO=fd;

//通过STDIN_FILENO，STDOUT_FILENO输入输出都会被/dev/null吞噬

//STDERR_FILENO未关闭

if(fd>STDERR_FILENO)
	close(fd); //fd = null，释放资源，这个文件描述符fd可以被复用。

（4）范例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

//创建守护进程
int ngx_daemon() {
	int fd;

	switch(fork()) {
	case -1:
		//创建子进程失败，这里可以写日志......
		return -1;
	case 0:
		//子进程，直接跳出
		break;
	default:
		//父进程，直接退出
		exit(0);
	}

	//子进程才走到这里
	if(setsid() == -1) { //脱离终端，终端关闭，子进程不会退出
		//记录错误日志......
		return -1;
	}
	umask(0); //设置为0，不要让它限制文件权限，以免引起混乱
	
	fd = open("/dev/null", O_RDWR); //读写方式打开黑洞设备
	
	if(fd == -1) { 
		//记录错误日志......
		return -1;
	}

	if(dup2(fd, STDIN_FILENO) == -1){ //关闭STDIN_FILENO，/dev/null成为标准输入
		//记录错误日志......
		return -1;
	}

	if(dup2(fd, STDOUT_FILENO) == -1){ //关闭STDOUT_FILENO，/dev/null成为标准输出
		//记录错误日志......
		return -1;
	}

	if(fd>STDERR_FILENO) {
		if(close(fd) == -1){ //释放资源，文件描述符（数字）可以被复用
			//记录错误日志......
			return -1;
		}
	}

	return 1;
}

int main(int argc, char *const *argv) {
	if(ngx_daemon() != 1) {
		//创建守护进程失败，可以写日志等。
		return 1;
	}
	while(1) {
		//创建守护进程成功，执行守护进程中工作
		sleep(1);
		//无任何显示结果
		printf("Sleep 1s, PID=%d\n", getpid());
	}
	return 0;
}

开机启动守护进程，可以拥有超级用户特权。

3.7.4 守护进程不会收到的信号

  1. SIGHUP信号
    守护进程不会收到来自内核的SIGHUP信号，如果收到，肯定是进程发送过来的。
    SIGHUP信号，连接（终端）断开信号，终端检测到连接断开，会发送SIGHUP信号到终端所在的会话首进程。
    守护进程和终端不关联，终端断开不会收到SIGHUP信号，可以将该信号挪作他用，比如配置文件改动，守护进程重新读入配置文件。sudo ./nginx -s reload，向已启动master进程发送SIGHUP信号（-1）。

  2. SIGINT、SIGWINCH信号
    守护进程不会收到来自内核的SIGINT、SIGWINCH信号，如果收到，肯定是进程发送过来的。
    SIGINT，终端中断符，Ctrl+C（中断组合键）。
    SIGWINCH，终端大小改变。

这些信号可以拿来和守护进程通信。

3.7.5 守护进程与后台进程的区别

  • 守护进程和终端不挂钩，不向终端输出内容（信息），后台进程能向终端输出内容（信息）。
  • 守护进程在关闭终端时不受影响，后台进程会退出。
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