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  3. 技术文章第 202507 期

【进程与线程】如何编写一个守护进程

文档大纲

如何编写一个守护进程。我们首先得清晰地理解守护进程的定义。守护进程是一类特殊的进程，它在 系统后台持续运行，通常不与控制终端相连接，主要承担执行各类系统任务的职责，像服务器程序的稳定运行、定时任务的精准调度等。在实际应用场景中，用户往往有创建长期稳定运行服务的需求，例如搭建高效的 Web 服务器来提供网络服务，或者开发可靠的日志监控程序以实时监测系统日志。

通常而言，创建守护进程包含以下几个关键步骤：

  • 首先，借助 fork 系统调用创建一个子进程，随后让父进程退出。这一操作能使终端认为命令已经执行完毕，从而让子进程得以在后台持续运行。
  • 其次，调用 setsid 函数创建一个新的会话。此步骤的核心目的在于使子进程脱离原终端的控制，让它能够独立于终端在后台稳定运行。
  • 接着，将子进程的工作目录更改为根目录。这样做可以避免守护进程占用可卸载的文件系统，防止因文件系统卸载而引发不必要的问题。
  • 之后，需要设置文件创建掩码，一般将其设置为 0。如此一来，守护进程在创建文件时就能拥有更大的权限灵活性，可根据实际需求灵活控制文件的访问权限。
  • 最后，关闭不必要的文件描述符，例如标准输入、标准输出和标准错误输出。这一举措能够有效防止这些文件描述符持续占用系统资源，确保系统资源得到合理利用。

基于上述创建守护进程的步骤，我们可以编写具体的代码示例。在编写过程中，要保证每个步骤都有对应的代码实现，同时详细阐释每个步骤的作用。

  • 创建子进程并退出父进程：使用 fork 系统调用创建子进程后，让父进程退出。此时，子进程会成为孤儿进程，由 init 进程接管。这使得子进程能在后台继续运行，脱离用户终端的直接控制。
  • 创建新会话：调用 setsid 函数，该函数的作用是让子进程成为新的会话组长，从而脱离原终端的控制，进一步确保守护进程能独立稳定地在后台运行。
  • 更改工作目录：将工作目录更改为根目录，这是为了防止守护进程的当前工作目录被卸载。若当前目录被卸载，可能会引发一系列问题，影响守护进程的正常运行。
  • 设置文件创建掩码：设置 umask 通常为 0，这样守护进程在创建文件时能拥有默认的权限，可根据实际需求灵活调整文件的访问权限。
  • 关闭文件描述符：关闭标准输入、标准输出和标准错误输出等不需要的文件描述符，目的是释放系统资源。有时，为了避免一些意外情况，还需要将这些文件描述符重定向到 /dev/null 或者日志文件。

此外，在编写守护进程的代码时，可能需要处理信号。例如，当接收到 SIGHUP 信号时，守护进程可能需要重新加载配置。因此，在代码中可能要添加信号处理函数，以确保守护进程能对特定信号做出正确响应。

同时，守护进程通常需要记录日志，以便后续的调试和监控。可以通过 syslog 或者直接写入日志文件来实现日志记录。例如，可以使用 openlog 和 syslog 函数，方便地将日志信息记录下来。

守护进程在运行过程中，常面临以下几类问题：

  • 终端脱离失败：若守护进程未能正确脱离终端，那么当终端关闭时，守护进程也会随之终止，无法持续在后台运行。
  • 资源泄漏风险：若文件描述符没有被正确关闭，会造成系统资源的持续占用，长此以往会导致资源泄漏，影响系统的整体性能。
  • 信号处理不当：守护进程若没有对信号进行正确处理，可能会使其无法优雅地退出，或者在需要重新加载配置时无法及时响应，进而影响服务的稳定性。
  • 文件系统卸载问题：若守护进程的工作目录没有被更改，在尝试卸载对应的文件系统时，会因为守护进程对该目录的占用而无法完成卸载操作。
  • 日志调试难题：日志记录若不规范或存在缺失，会使得在排查问题时缺乏足够的信息，给调试工作带来极大的困难。

在 Linux 系统里，守护进程（Daemon） 是一类在后台长期稳定运行的进程，它们通常独立于控制终端，并且会按照一定的周期执行各类任务，如提供服务、进行日志监控等。本文将详细介绍编写守护进程的标准步骤，并给出相应的代码示例。

(1) 进程首次执行 fork 操作，此步骤旨在为后续调用 setsid 函数做好铺垫。

(2) 进程调用 setsid 函数，成功成为新会话的领头进程，从而与原控制终端脱离关联。

(3) 进程忽略 SIGHUP 信号，并进行第二次 fork 操作。这使得该进程成为一个新进程组的领导者，进一步确保其独立运行。

(4) 关闭所有文件描述符，释放系统资源，避免不必要的资源占用。

(5) 消除 umask 的影响，确保守护进程在创建文件或目录时，能够依据自身需求灵活设置权限。

(6) 修改守护进程的当前工作目录，防止因工作目录被卸载或其他操作而影响守护进程的正常运行。

(7) 重新定位标准 I/O 描述符，将输入、输出和错误信息进行合理定向，避免对终端产生干扰。

(8) 采取措施保证服务器互斥运行，防止多个相同守护进程同时运行导致的冲突和资源竞争问题。

(9) 借助 syslog 来记录守护进程的错误信息，便于后续对守护进程的运行状态进行监控和问题排查。

其中，核心步骤为：

1> 第一次fork为setsid()创建新会话做准备     ---> 利用子进程初步和终端进程区分开
2> 利用创建的子进程创建出新的会话           ---> 进脱离终端的控制
//有的资料就将创建出新会话进程作为守护进程使用，是可以的
//为了让守护进程进一步脱离和终端的联系，我们需要进行第二次fork
3>第二次调用fork()                          ---> 初步得到守护进程
 //到这一步，守护进程已经创建好了，后序的操作是进一步修饰守护进程
-------------------------------------------------------------------------------
4> 关闭所有打开的文件描述符                 ---> 守护进程不能有输入也不能有输出
5> 消除 uamsk 的影响                          ---> 对守护进程的进一步处理
6> 更改守护进程的工作路径 "/"               ---> 确保守护进程能够运行
7> 将文件描述符重定向 /dev/null             ---> 防止关闭的文件描述符再次打开
第一次 fork

创建子进程，父进程退出。

守护进程的特性在于其会脱离控制终端运行。在完成第一步操作后，在 Shell 终端会呈现出程序已然运行结束的假象。实际上，后续的所有工作均由子进程负责完成，此时用户可以在 Shell 终端自如地执行其他命令，从表现形式上实现了与控制终端的脱离。

在操作过程中，父进程会先于子进程退出，这就导致子进程失去了父进程，进而转变为一个孤儿进程。在 Linux 系统里，一旦系统检测到孤儿进程，便会自动让 1 号进程收养该孤儿进程。如此一来，原先的子进程就成为了 init 进程的子进程。

pid=fork(); if (pid < 0){
 	fprintf(stderr, “error in first fork.\n”);
	exit(1);
}
	if(pid>0){ /*父进程退出*/
	exit(0);
}
在子进程中创建新会话
进程组

进程组是由一个或多个进程所组成的集合。每个进程组都由唯一的进程组 ID 进行标识。如同进程号（PID）是进程的关键标识一样，进程组 ID 也是进程不可或缺的属性之一。

在每个进程组中，都存在一个组长进程。该组长进程的进程号与进程组 ID 相等，它在进程组中扮演着特定的角色和功能。

会话期

会话组是由一个或多个进程组组合而成的集合。

一般而言，一个会话的生命周期始于用户登录系统，终于用户退出系统。在这一时间段内，该用户所启动运行的所有进程都归属于这个会话期。

进程组 对话期 与 终端

进程组 对话期 与 终端

setsid 函数的作用

setsid 函数的主要用途是创建一个新的会话，并且使调用该函数的进程成为这个新会话组的组长（即新会话的领头进程）。具体来说，它能实现以下几个关键功能：

  • 脱离原会话控制：使进程不再受原会话的约束和管理。
  • 脱离原进程组控制：让进程从原有的进程组中独立出来，不再受原进程组的影响。
  • 脱离原控制终端控制：使进程与原控制终端断开联系，不再依赖于原控制终端进行输入输出等操作。

简而言之，setsid 函数能够让进程实现完全的独立，使其不再受其他进程的控制和影响。

当子进程继续运行而父进程退出时，系统会产生 SIGHUP 信号。由于第一次 fork() 产生的子进程会成为新会话的领头进程，如果此时再打开一个新的终端，这个新终端可能会成为该进程的控制终端。为了避免这种情况，确保进程彻底脱离控制终端，通常需要进行第二次 fork() 操作。

请添加图片描述

忽略信号SIGHUP，第二次fork
  1. 进程脱离了控制终端，
  2. 与退出的父进程属于同一组；
  3. 进程调用 setgrp()，
  4. 是进程脱离原来的进程组。
  5. 已经调整好自身位置。
关闭所有文件描述符

服务进程必须关闭它所继承的文件描述符：

max_fd = sysconf(_SC_OPEN_MAX);
for (i = 0; i < max_fd;i++)
	close(i);

关闭所有文件描述符

消除umask的影响

每个进程都有一个umask： 文件权限掩码是指屏蔽掉文件权限中的对应位。由于使用 fork 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。

通常的使用方法为umask(0)：增加该守护进程的灵活性；umask (0) 清除旧有的文件掩码。

最后的权限： mode & ~umask

改变当前目录为根目录

守护进程当前工作目录的影响

守护进程运行时，若出现错误，通常会将错误信息记录在当前目录的 core 文件中。而且，守护进程往往会长时间保持对当前目录的打开状态。因此，需要为其选择一个不会被卸载的目录作为当前工作目录。

一般来说，会将根目录 “/” 指定为守护进程的当前工作目录。

使用 fork 创建的子进程会继承父进程的当前工作目录。然而，在进程运行期间，当前目录所在的文件系统无法被卸载，这可能会在后续使用中引发诸多问题（例如进入单用户模式时可能会受到阻碍）。

解决这一问题的办法是，选择一个不可能被卸载的目录，通过 chdir (“/”) 将守护进程的当前工作目录变更为根目录。

重新定位标准IO描述符

所有文件描述符都已关闭。 守护进程已不再和终端相关联，无标准输入、标准出错文件描述符：

printf, perror 等输出语句将出错。

打开特殊设备，重定位标准的输入、输出描述符

open(“/dev/null”,O_RDWR);
 dup(1);
 dup(2);
创建守护进程的完整流程 请添加图片描述

完整代码实现（C语言）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <signal.h>
#include <syslog.h>

void daemon_init() {
    pid_t pid;

    // 1. 创建子进程并终止父进程
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid > 0) {
        exit(EXIT_SUCCESS); // 父进程退出
    }

    // 2. 创建新会话，脱离终端控制
    if (setsid() < 0) {
        perror("setsid failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 忽略 SIGHUP 信号（防止会话组长终止导致进程退出）
    signal(SIGCHLD, SIG_IGN);
    signal(SIGHUP, SIG_IGN);

    // 4. 再次 fork，确保进程不会成为会话组长（非必需但更安全）
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid > 0) {
        exit(EXIT_SUCCESS); // 父进程退出
    }

    // 5. 修改工作目录为根目录
    chdir("/");

    // 6. 设置文件权限掩码（通常设为0）
    umask(0);

    // 7. 关闭所有打开的文件描述符
    for (int x = sysconf(_SC_OPEN_MAX); x >= 0; x--) {
        close(x);
    }

    // 8. 重定向标准输入/输出/错误到 /dev/null 或日志文件
    open("/dev/null", O_RDWR); // stdin
    dup(0);                    // stdout
    dup(0);                    // stderr

    // 9. 初始化日志系统（可选）
    openlog("mydaemon", LOG_PID, LOG_DAEMON);
    syslog(LOG_NOTICE, "Daemon started successfully");
}

int main() {
    daemon_init();

    // 守护进程主循环
    while (1) {
        syslog(LOG_NOTICE, "Daemon is running...");
        sleep(10);
    }

    closelog();
    return EXIT_SUCCESS;
}
编译与运行

  1. 编译代码：

    gcc daemon.c -o mydaemon

  2. 启动守护进程：

    ./mydaemon

  3. 验证守护进程：

    查看进程列表：

    ps -ef | grep mydaemon

检查系统日志（Ubuntu 默认在 /var/log/syslog）：

tail -f /var/log/syslog | grep mydaemon
关键步骤详解
  1. 两次 fork()
    • 第一次 fork 脱离终端。
    • 第二次 fork 确保进程不是会话组长（避免重新获取终端控制）。
  2. 文件描述符处理
    • 关闭所有文件描述符，避免资源泄漏。
    • 重定向标准输入/输出/错误到 /dev/null 或日志文件。
  3. 信号处理
    • 忽略 SIGHUP 和 SIGCHLD，防止意外终止。
    • 可添加自定义信号处理（如 SIGTERM 实现优雅退出）。
  4. 日志记录
    • 使用 syslog 记录日志，便于系统级管理。

另外，部分系统（如 Linux）提供 daemon() 函数简化守护进程创建：

使用 daemon() 函数简化
#include <unistd.h>

int main() {
    if (daemon(0, 0) < 0) { // 参数：nochdir（0=切换根目录）, noclose（0=重定向到/dev/null）
        perror("daemon failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 守护进程主逻辑
    while (1) {
        sleep(10);
    }
    return 0;
}
// 注意事项
// 资源管理：确保守护进程释放所有非必要资源（如文件描述符）。
// 日志监控：通过日志文件或 syslog 跟踪守护进程行为。
// 信号处理：实现 SIGTERM 或 SIGINT 的优雅退出逻辑。

综上。希望该内容能对你有帮助，感谢！

原文阅读

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