Linux学习——守护进程编程

一、守护进程含义及实现过程

1、含义

        守护进程（Daemon Process） 是操作系统中一种在后台长期运行的特殊进程，通常不与用户直接交互。它独立于控制终端，用于执行周期性任务或系统服务（如日志管理、网络服务等）。典型的守护进程包括 httpd（Web 服务）、mysqld（数据库服务）等。

2、实现过程

1、守护进程相关概念
        进程组：一个或多个进程的集合，进程组由进程组ID标识，进程组长的进程ID和进程组ID一致，并且进程组ID不会由于进程组长的退出而受到影响。
        会话周期：一个或多个进程组的集合，比如用户从登陆到退出，这个期间用户运行的所有进程都属于该会话周期。
        setsid函数：创建一个新会话，并担任该会话组的组长，调用setsid函数的目的：让进程摆脱原会话，原进程组，原终端的控制。如果，调用setsid的进程不是一个进程组的组长，此函数创建一个新的会话期。
2、创建守护进程的过程
        （1）fork()创建子进程，父进程exit()退出；
        这是创建守护进程的第一步。由于守护进程是脱离控制终端的，因此，完成第一步后就会在Shell终端里造成程序已经运行完毕的假象。之后的所有工作都在子进程中完成，而用户在Shell终端里则可以执行其他命令，从而在形式上做到了与控制终端的脱离，在后台工作。

        （2）在子进程中调用 setsid() 函数创建新的会话；
        在调用了fork()函数后，子进程全盘拷贝了父进程的会话期、进程组、控制终端等，虽然父进程退出了，但会话期、进程组、控制终端等并没有改变，因此，这还不是真正意义上的独立开来，而 setsid() 函数能够使进程完全独立出来。

        （3）再次 fork() 一个孙进程并让子进程退出；
        为什么要再次fork呢，假定有这样一种情况，之前的父进程fork出子进程以后还有别的事情要做，在做事情的过程中因为某种原因阻塞了，而此时的子进程因为某些非正常原因要退出的话，就会形成僵尸进程，所以由子进程fork出一个孙进程以后立即退出，孙进程作为守护进程会被init接管，此时无论父进程想做什么都随它了。

        （4）在孙进程中调用 chdir() 函数，让根目录 ”/” 成为孙进程的工作目录；

         这一步也是必要的步骤，使用fork创建的子进程继承了父进程的当前工作目录。由于在进程运行中，当前目录所在的文件系统（如“/mnt/usb”）是不能卸载的，这对以后的使用会造成诸多的麻烦（比如系统由于某种原因要进入单用户模式）。因此，通常的做法是让"/"作为守护进程的当前工作目录，这样就可以避免上述的问题，当然，如有特殊需要，也可以把当前工作目录换成其他的路径，如/tmp，改变工作目录的常见函数是chdir。

        （5）在孙进程中调用 umask() 函数，设置进程的文件权限掩码为0；
        文件权限掩码是指屏蔽掉文件权限中的对应位。比如，有个文件权限掩码是050，它就屏蔽了文件组拥有者的可读与可执行权限。由于使用fork函数新建的子进程继承了父进程的文件权限掩码，这就给该子进程使用文件带来了诸多的麻烦。因此，把文件权限掩码设置为0，可以大大增强该守护进程的灵活性。设置文件权限掩码的函数是umask。在这里，通常的使用方法为umask(0)。

        （6）在孙进程中关闭任何不需要的文件描述符，关闭输入输出和错误输出（stdin,stdout,stderr）,并将其重定向到/dev/null；
        同文件权限码一样，用fork函数新建的子进程会从父进程那里继承一些已经打开了的文件。这些被打开的文件可能永远不会被守护进程读写，但它们一样消耗系统资源，而且可能导致所在的文件系统无法卸下。

        ​ 在上面的第2)步之后，守护进程已经与所属的控制终端失去了联系。因此从终端输入的字符不可能达到守护进程，守护进程中用常规方法（如printf）输出的字符也不可能在终端上显示出来。所以，文件描述符为0、1和2 的3个文件（常说的输入、输出和报错）已经失去了存在的价值，也应被关闭。

        （7）守护进程退出处理；
        当用户需要外部停止守护进程运行时，往往会使用 kill 命令停止该守护进程。所以，守护进程中需要编码来实现 kill 发出的signal信号处理，达到进程的正常退出。

二、创建一个守护进程

        创建一个守护进程一般有 nohup命令、fork()函数和 daemon()函数三种方法，我们分别在阿里云服务器、树莓派上用这三种方式创建一个守护进程。

1、nohup命令

        nohup命令是“no hang up”的缩写，意为“不挂断”。它允许用户在系统后台运行命令，并确保命令在终端关闭或用户退出后仍然继续运行。默认情况下，nohup命令会将输出重定向到当前目录下的nohup.out文件中，除非另外指定了输出文件。

编写一个简单的脚本loop.sh：

#!/bin/bash
while true; doecho "Running daemon task..." >> /tmp/daemon.logsleep 10
done

赋予脚本执行权限：

chmod +c loop.sh

使用nohup启动守护进程：

nohup ./loop.sh > /dev/null 2>&1 &

验证守护进程是否运行：

ps aux | grep loop.sh

• 阿里云服务器运行结果

2、fork()函数

        fork是复制进程的函数，程序一开始就会产生一个进程，当这个进程(代码)执行到fork()时，fork就会复制一份原来的进程即就是创建一个新进程，我们称子进程，而原来的进程我们称为父进程，此时父子进程是共存的，他们一起向下执行代码。
        注意的一点：就是调用fork函数之后，一定是两个进程同时执行fork函数之后的代码，而之前的代码以及由父进程执行完毕。

编写C程序fork_test.c：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>void daemonize() {pid_t pid = fork();if (pid < 0) {perror("fork failed");exit(EXIT_FAILURE);}if (pid > 0) {// 父进程退出exit(EXIT_SUCCESS);}// 子进程继续运行setsid(); // 创建新会话chdir("/"); // 改变工作目录umask(0); // 重设文件权限掩码// 关闭标准输入输出流close(STDIN_FILENO);close(STDOUT_FILENO);close(STDERR_FILENO);// 执行守护任务while (1) {FILE *fp = fopen("/tmp/daemon_fork.log", "a");fprintf(fp, "Daemon running...\n");fclose(fp);sleep(10);}
}int main() {daemonize();return 0;
}

编译程序

gcc -o fork_test fork_test.c

运行守护进程

./fork_test

验证守护进程是否运行

ps aux | grep fork_test

• 阿里云服务器运行结果

3、daemon()函数

编写c程序daemon_test.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main() {// 调用 daemon() 函数if (daemon(1, 0) == -1) {perror("daemon failed");exit(EXIT_FAILURE);}// 执行守护任务while (1) {FILE *fp = fopen("/tmp/daemon_builtin.log", "a");fprintf(fp, "Daemon running...\n");fclose(fp);sleep(10);}return 0;
}

编译程序

gcc -o daemon_test daemon_test.c

运行守护进程

./daemon_test

验证守护进程是否运行

ps aux | grep daemon_test

阿里云服务器结果：

三、GDB调试原理

        GDB（GNU Debugger）是一个强大的调试工具，用于调试使用C、C++等语言编写的程序。它允许用户在程序执行期间检查变量值、设置断点、单步执行代码以及分析崩溃转储等。

1、基本原理

        符号表：当编译一个程序时，如果启用了调试信息（例如通过-g选项），编译器会生成包含函数名、变量名及其类型等信息的符号表。GDB利用这些信息来帮助开发者理解正在运行的程序。
        控制流管理：GDB可以暂停（breakpoints）、继续（continue）、单步执行（step into/over）程序的执行流程，以便于观察特定时刻的状态。
        数据操作：GDB能够读取和修改程序中变量的值，这有助于测试不同的条件分支或修正错误状态。
        信号处理：GDB能够捕获并响应来自操作系统或其他进程的信号（如SIGSEGV、SIGINT等），从而允许对异常情况下的程序进行调试。
        远程调试支持：GDB还支持通过网络连接到另一个运行中的程序实例，实现远程调试功能。

2、调试C程序

编写并编译你的C程序：
创建一个名为 test.c 的文件，并编写如下代码：

#include <stdio.h>int add(int a, int b) {return a + b;
}int main() {int x = 5;int y = 7;printf("Sum is %d\n", add(x, y));return 0;
}

然后，使用 -g 选项编译这个程序以包含调试信息：

gcc -g -o test test.c

• 启动GDB调试会话

gdb ./test

• 设置断点

在你感兴趣的函数或行号处设置断点。例如，在 add 函数入口处设置断点：

(gdb) break add

或者按行号设置断点：

(gdb) break test.c:6

• 运行程序

输入 run 来开始执行程序：

(gdb) run

程序将在遇到第一个断点时暂停。

• 检查状态

使用命令查看当前局部变量的值：

(gdb) print a
(gdb) print b

也可以查看调用栈信息：

(gdb) backtrace

• 单步执行

使用 next 或 step 命令逐行执行代码。区别在于 step 会进入函数内部，而 next 则跳过函数调用直接到下一行。

(gdb) next
(gdb) step

• 结束调试

完成调试后，你可以使用 quit 退出GDB：

(gdb) quit

四、SSH反向代理树莓派

1、 确保树莓派和阿里云服务器的 SSH 服务正常运行

检查树莓派的ssh服务

sudo systemctl status ssh

如果未启用，请启动并设置开机自启：

sudo systemctl enable ssh
sudo systemctl start ssh

检查阿里云服务器的SSH服务

sudo systemctl status ssh

2、在阿里云服务器上检查端口是否被占用

sudo netstat -tuln | grep 9624

如果有输出，说明该端口已被占用，否则，该端口可以使用。

3、在树莓派上建立 SSH反向代理

使用 ssh 命令建立反向隧道，将树莓派的 SSH 服务映射到阿里云服务器的指定端口（例如：9699）：

ssh -R 9699:localhost:22 huhs@114.55.126.125

// huhs:阿里云服务器的登录用户

// 9699：指定远程端口

// 114.55.126.125 阿里云服务器公网IP

在阿里云服务器上运行下面命令，测试是否可以通过localhost:9699访问树莓派

ssh -p 9699 hhs@localhost

// xlq:树莓派登录用户

// localhost: 指的是阿里云服务器的本地回环接口（即 127.0.0.1）

直接从外网访问树莓派

ssh -p 9699 hhs@114.55.126.125