Daemon Process

本文介绍一个从 Linux 的 shell 诞生的进程，要经历怎样的“考验”，才能成为一个 daemon 进程。

后台进程，顾明思议，在后台执行，没有终端，没有 Login shell。当某些 Event 发生的时候进行处理，或者定期执行某项任务。通常，daemon 进程以 d 结尾，但不是必须的，比如 Redis 和 Nginx 的 daemon 进程就没有以 d 结尾。

后台进程最明显的特征，是 shell （通过 ssh 或者 terminal app 打开的终端）退出之后，后台进程不会退出，而是继续运行，提供服务。

简单来说，daemon 需要具备以下两项基本条件：

是 init 进程的子进程；
没有连接到任何 terminal；

此外，daemon 进程通常还会做以下几个事情：

关闭所有的 file descriptors，除了 input, output, error 这三个。因为这些 file descriptors 可能是 shell，或者其他进程。而后台进程最关键的就是不连接 shell 和 terminal。可以使用 open_max 或 getrlimit syscall 获取当前打开的最大的文件描述符，依次关闭。也可以遍历 /proc/self/fd 下的文件，依次关闭。
将 working directory 切换到 / 目录。daemon 的生命周期一般伴随整个操作系统的工作时间，如果一直在继承自父进程的 working directory 工作的话，就会影响操作系统运行期间的文件系统 mount 操作。某些进程也可以切换到自己的特定目录工作；
将 umask 置为默认值，通常为 0。因为 daemon 进程创建文件的时候，会想自己设置文件的权限，而不受 umask 的干扰。如果使用的第三方库的话，daemon 可以自己设置 umask 的值，自己限制使用的第三方库的权限；
离开父进程的 process group，这样就不会收到 SIGHUP 信号；
离开 controling terminal，并确保以后也不会再被重新分配到；
处理 SIGCLD 信号；
将 stdin stdout stderror 重定向到 /dev/null。因为后台运行的进程不需要用户输入，也没有标准输出。这样也可以确保当其他用户 login shell 的时候，不会看到 daemon 的输出。

这是 daemon 进程通常会做的事情，man 7 daemon 中有更详细的描述。接下来，主要讨论 daemon 最精彩的部分，即如何通过两次 fork() 来完成脱离 terminal。

两次 fork()

前面介绍了一些比较简单的处理，比如 chdir，reset umask。接下来讨论如何脱离 terminal。

为了方便读者理解，我先画一张图，并标出每一步动作发生了哪些变化，然后再具体解释。

Shell 创建进程的过程如上图。这里先解释一下 4 个概念：

pid 是什么？进程 ID，一个进程最基本的标志。创建新的进程的时候 kernel 会分配一个 pid。
ppid 是什么？创建此进程的进程，即父进程，这里就是 shell 的 pid，因为进程是从 shell 创建的。
sid 是什么？sid 指的是 session id，本文不作过多介绍，读者可以认为是和 shell 在一组 session 的进程，这样 shell 退出的时候会给 session leader id 为 shell id 的进程都发送 SIGHUP，将自己产生的子进程都一并退出，方便管理。所以，新创建进程的 sid 也是 shell pid，自动加入 shell 的 session。
pgid 是什么？pgid 是 process group id，是一组进程id。考虑这种命令：grep GET accessl.log | awk '{print $1}' | sort | uniq ，如果我们想结束这个命令的时候，不会想 grep，awk.. 这样一个一个的结束，而是想将他们一次性全部结束。为了方便管理，shell 会将这种管道连接的进程置为一组，这样可以通过 pgid 一并结束，方便管理。所以，新创建的进程的 pgid 是自己，它自己也叫做 group leader。

第一次 fork()。调用 fork()，父进程立即退出（为了方便后续讨论，我们将这次的子进程称为 child1）。这里的作用有3个：首先，进程是从 shell 启动的，如果进程不结束，那么 shell 的命令行将 block 在这里，这一次 fork() 让 shell 认为父进程已经正常结束了。其次，child1 fork 出来的时候，默认加入了父进程的 progress group，这让 child1 不再是一个 group leader（它的 pgid 不等于 pid），这是调用 setsid 的必备条件。实际上，由于父进程退出，child1 所在的 process group 已经是一个 Orphaned Process Group。第三，由于父进程已经退出，所以 child1 的父进程是 init 进程。

setsid。由于 child 的 sid 依然是 shell 的 id，所以当 shell 退出的时候依然会被带走。所以这里要调用 setsid ，脱离 shell 所在的 session。但是 setsid 之后，它的 pgid 和 sid 都等于它的 pid 了，这意味着它成为了 session leader 和 group leader。这其实就是为什么要 fork 第二次的原因，也是我最大的困惑，和花了最多时间去理解的地方。

第二次 fork() 。为什么要第二次 fork() ？这个问题我读了很多不正确的 Stack Overflow 讨论，以及没有第二次 fork() 的实现，比如 Linux System Programming 5.7 Daemons 中的 daemon 代码就是没有第二次 fork() 的，Kernel 提供的 man 3 daemon 也没有第二次 fork。需要做第二次 fork() 的原因很简单：如果一个进程是 session leader，那么它依然有机会获得 tty 的（在基于 SysV 的系统下），我们要确保它不可能获得 tty，就再 fork() 一次，并且退出 child1，确保最终提供 daemon 服务的 child2 不是一个 session leader。

这个过程也可以看下 daemonize 里面的 daemon 函数，和上述过程一样。

我写了一段代码演示两次 fork() 各种 pid 的变化，得到的结果会和上图一样。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

void printid() {
    pid_t pid = getpid();
    pid_t ppid = getppid();
    pid_t sid = getsid(pid);
    pid_t pgid = getpgid(pid);
    printf("pid=%d, ppid=%d, sid=%d, pgid=%d\n", pid, ppid, sid, pgid);
}

int main(){
    printf("parent process: ");
    printid();

    if ((fork()) != 0)
        exit(0);
    printf("child1: ");
    printid();

    setsid();
    printf("after setsid: ");
    printid();

    if ((fork()) != 0)
        exit(0);
    printf("child2: ");
    printid();
    return 0;
}

运行结果如下：

$ gcc fortest.c
$ ./a.out
parent process: pid=2680, ppid=2622, sid=2622, pgid=2680
child1: pid=2681, ppid=1, sid=2622, pgid=2680
after setsid: pid=2681, ppid=1, sid=2681, pgid=2681
child2: pid=2682, ppid=1, sid=2681, pgid=2681

Protocol Mismatch

如果使用 systemd 这种任务控制机制的话，注意需要按照这些系统规定的 readiness protocol 来设定你的程序，即你要可以将 chdir，umask 这种事情托付给 systemd 来做，但是你要遵守 systemd 的协议来告诉它你的进程就绪，可以提供服务了。

常见的一种错误是在自己的进程中 fork() 了两次，但是在 systemd 中使用了 Type=simple ，并认为这样是告诉 systemd 自己的进程是一个普通进程，自己处理了 daemon。而实际上，这是在告诉 systemd 你的进程是启动后立马 ready，ExecStart 的进程就是目标进程，所以在第一次父进程 fork() 并退出的时候，systemd 认为你的进程挂了。很多时候，比如用 systemd 控制 Redis Nginx 这种服务，总是启动超时，一般也是因为这个问题。这里有很多常见错误的例子，就不一一解释了，介绍 systemd 的使用，又要写一篇文章了。

感谢依云和@mrluanma解答我百思不得其解的一些困惑。

参考资料

What is the reason for performing a double fork when creating a daemon?
What are “session leaders” in `ps`?
Daemonize a process in shell?
daemonize — A tool to run a command as a daemon 非常值得一读，代码只有几十行，对理解 daemonize 很有帮助。
Linux System Programming P172
Orphaned Process Groups
TUE Linux Kernel
Can systemd handle double-fork daemons?
man 7 daemon 介绍了新式的 systemd daemon，和之前的 SysV 有什么不同。systemd 不会进行第二次 fork() ，所以你会发现用 systemd 管理的服务都是 session leader。这是因为这些服务不是从 shell 启动的，而是 systemd 启动的。
daemon-skeleton-linux-c 另一个比较简单的 daemon 代码，可以直接编译运行
Linux-UNIX-Programmierung – German
Unix Daemon Server Programming

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参考资料