2. 作业控制

2.1. Session与进程组

第 1 节 “信号的基本概念”中我说过“Shell可以同时运行一个前台进程和任意多个后台进程”其实是不全面的,现在我们来研究更复杂的情况。事实上,Shell分前后台来控制的不是进程而是作业(Job)或者进程组(Process Group)。一个前台作业可以由多个进程组成,一个后台作业也可以由多个进程组成,Shell可以同时运行一个前台作业和任意多个后台作业,这称为作业控制(Job Control)。例如用以下命令启动5个进程(这个例子出自[APUE2e]):

$ proc1 | proc2 &
$ proc3 | proc4 | proc5

其中proc1proc2属于同一个后台进程组,proc3proc4proc5属于同一个前台进程组,Shell进程本身属于一个单独的进程组。这些进程组的控制终端相同,它们属于同一个Session。当用户在控制终端输入特殊的控制键(例如Ctrl-C)时,内核会发送相应的信号(例如SIGINT)给前台进程组的所有进程。各进程、进程组、Session的关系如下图所示。

图 34.4. Session与进程组

Session与进程组

现在我们从Session和进程组的角度重新来看登录和执行命令的过程。

  1. gettytelnetd进程在打开终端设备之前调用setsid函数创建一个新的Session,该进程称为Session Leader,该进程的id也可以看作Session的id,然后该进程打开终端设备作为这个Session中所有进程的控制终端。在创建新Session的同时也创建了一个新的进程组,该进程是这个进程组的Process Group Leader,该进程的id也是进程组的id。

  2. 在登录过程中,gettytelnetd进程变成login,然后变成Shell,但仍然是同一个进程,仍然是Session Leader。

  3. 由Shell进程fork出的子进程本来具有和Shell相同的Session、进程组和控制终端,但是Shell调用setpgid函数将作业中的某个子进程指定为一个新进程组的Leader,然后调用setpgid将该作业中的其它子进程也转移到这个进程组中。如果这个进程组需要在前台运行,就调用tcsetpgrp函数将它设置为前台进程组,由于一个Session只能有一个前台进程组,所以Shell所在的进程组就自动变成后台进程组。

    在上面的例子中,proc3proc4proc5被Shell放到同一个前台进程组,其中有一个进程是该进程组的Leader,Shell调用wait等待它们运行结束。一旦它们全部运行结束,Shell就调用tcsetpgrp函数将自己提到前台继续接受命令。但是注意,如果proc3proc4proc5中的某个进程又fork出子进程,子进程也属于同一进程组,但是Shell并不知道子进程的存在,也不会调用wait等待它结束。换句话说,proc3 | proc4 | proc5是Shell的作业,而这个子进程不是,这是作业和进程组在概念上的区别。一旦作业运行结束,Shell就把自己提到前台,如果原来的前台进程组还存在(如果这个子进程还没终止),则它自动变成后台进程组(回顾一下例 30.3 “fork”)。

下面看两个例子。

$ ps -o pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm | cat
  PID  PPID  PGRP  SESS TPGID COMMAND
 6994  6989  6994  6994  8762 bash
 8762  6994  8762  6994  8762 ps
 8763  6994  8762  6994  8762 cat

这个作业由pscat两个进程组成,在前台运行。从PPID列可以看出这两个进程的父进程是bash。从PGRP列可以看出,bash在id为6994的进程组中,这个id等于bash的进程id,所以它是进程组的Leader,而两个子进程在id为8762的进程组中,ps是这个进程组的Leader。从SESS可以看出三个进程都在同一Session中,bash是Session Leader。从TPGID可以看出,前台进程组的id是8762,也就是两个子进程所在的进程组。

$ ps -o pid,ppid,pgrp,session,tpgid,comm | cat &
[1] 8835
$   PID  PPID  PGRP  SESS TPGID COMMAND
 6994  6989  6994  6994  6994 bash
 8834  6994  8834  6994  6994 ps
 8835  6994  8834  6994  6994 cat

这个作业由pscat两个进程组成,在后台运行,bash不等作业结束就打印提示信息[1] 8835然后给出提示符接受新的命令,[1]是作业的编号,如果同时运行多个作业可以用这个编号区分,8835是该作业中某个进程的id。请读者自己分析ps命令的输出结果。

2.2. 与作业控制有关的信号

我们通过实验来理解与作业控制有关的信号。

$ cat &
[1] 9386
$ (再次回车) 

[1]+  Stopped                 cat

cat放到后台运行,由于cat需要读标准输入(也就是终端输入),而后台进程是不能读终端输入的,因此内核发SIGTTIN信号给进程,该信号的默认处理动作是使进程停止。

$ jobs
[1]+  Stopped                 cat
$ fg %1
cat
hello(回车)
hello
^Z
[1]+  Stopped                 cat

jobs命令可以查看当前有哪些作业。fg命令可以将某个作业提至前台运行,如果该作业的进程组正在后台运行则提至前台运行,如果该作业处于停止状态,则给进程组的每个进程发SIGCONT信号使它继续运行。参数%1表示将第1个作业提至前台运行。cat提到前台运行后,挂起等待终端输入,当输入hello并回车后,cat打印出同样的一行,然后继续挂起等待输入。如果输入Ctrl-Z则向所有前台进程发SIGTSTP信号,该信号的默认动作是使进程停止。

$ bg %1
[1]+ cat &

[1]+  Stopped                 cat

bg命令可以让某个停止的作业在后台继续运行,也需要给该作业的进程组的每个进程发SIGCONT信号。cat进程继续运行,又要读终端输入,然而它在后台不能读终端输入,所以又收到SIGTTIN信号而停止。

$ ps
  PID TTY          TIME CMD
 6994 pts/0    00:00:05 bash
11022 pts/0    00:00:00 cat
11023 pts/0    00:00:00 ps
$ kill 11022
$ ps
  PID TTY          TIME CMD
 6994 pts/0    00:00:05 bash
11022 pts/0    00:00:00 cat
11024 pts/0    00:00:00 ps
$ fg %1
cat
Terminated

kill命令给一个停止的进程发SIGTERM信号,这个信号并不会立刻处理,而要等进程准备继续运行之前处理,默认动作是终止进程。但如果给一个停止的进程发SIGKILL信号就不同了。

$ cat &
[1] 11121
$ ps
  PID TTY          TIME CMD
 6994 pts/0    00:00:05 bash
11121 pts/0    00:00:00 cat
11122 pts/0    00:00:00 ps

[1]+  Stopped                 cat
$ kill -KILL 11121
[1]+  Killed                  cat

SIGKILL信号既不能被阻塞也不能被忽略,也不能用自定义函数捕捉,只能按系统的默认动作立刻处理。与此类似的还有SIGSTOP信号,给一个进程发SIGSTOP信号会使进程停止,这个默认的处理动作不能改变。这样保证了不管什么样的进程都能用SIGKILL终止或者用SIGSTOP停止,当系统出现异常时管理员总是有办法杀掉有问题的进程或者暂时停掉怀疑有问题的进程。

上面讲了如果后台进程试图从控制终端读,会收到SIGTTIN信号而停止,如果试图向控制终端写呢?通常是允许写的。如果觉得后台进程向控制终端输出信息干扰了用户使用终端,可以设置一个终端选项禁止后台进程写。

$ cat testfile &
[1] 11426
$ hello

[1]+  Done                    cat testfile
$ stty tostop
$ cat testfile &
[1] 11428

[1]+  Stopped                 cat testfile
$ fg %1
cat testfile
hello

首先用stty命令设置终端选项,禁止后台进程写,然后启动一个后台进程准备往终端写,这时进程收到一个SIGTTOU信号,默认处理动作也是停止进程。