Process Relationship

• Logins
• Process groups
• Sessions
• Controlling terminal
• Job control
• Shell execution of programs
• Orphaned process groups
• FreeBSD Implementation

Boot Process

• /sbin/init 是系統開起來之後的第一支程式
  • 是所有 process 的 parent，PID 為 1

BSD Terminal Logins

• /etc/ttys 檔案中對每個 terminal device 都有一行對應的設定，包括 device name 和相關參數這些設定會傳送給 getty 這隻程式
• 當系統啟動後，kernel 會產生 init process(pid 1)，init process 會去讀取 /etc/ttys，並對於每個允許的 login terminal 執行 fork，並跑 exec 執行 getty

• 上面所有的 process ruid & euid 為 0，皆擁有最高權限，而除了最原始的 init 外，其他 process 的 ppid 為 1
• init execute getty program with empty environment
• getty 呼叫 open 來開啟 terminal device 進行讀寫， file descriptor 0,1,2 被配置在 device 上
• 接著 getty 會產生輸出如 login: 並等待 user name 輸入
• 收到 username 後 getty 執行 login 如下

execle("/bin/login", "login", "-p", username, (char *)0, envp);

• 因為 init 時 environment 是空的，getty 在這邊會為 login 產生 envirement(envp argemnet)， -p flag 用來告訴 login 保留傳遞過去的 enviroment
• login 接下來會
  • 呼叫 getpwnam 取得 user's password file entry
  • 呼叫 getpass 顯示 Password: 提示使用者輸入，並讀取輸入的密碼
  • 呼叫 crypt 來加密使用者輸入的密碼，和從 password file entry 中的 pw_passwd 欄位做比對
  • 對傳統 UNIX ，如果登入失敗，login 會呼叫 exit 帶參數 1，這個 terminate 會通知給 parent(init)，parent 會再做一次 fork、exec、getty 對這個 terminal 重複一次上述流程
  • 然而現今 UNIX 有許多不同的登入驗證方式，細節可以參考 PAM (Pluggable Authentication Modules)
• 接著如果登入成功，login 會
  • chdir 到我們的家目錄
  • 對 terminal chown，讓我們擁有這個 terminal device
  • 改變 terminal device 的存取權限，讓我們可以 read from 和 write to terminal device
  • 呼叫 setgid 和 initgroups，設定我們的 group id
  • 初始化 environment，HOME、SHELL、USER；LOGNAME、PATH
  • 改變 user 的 uid，並調用 user shell

execl("/bin/sh", "-sh", (char *)0);

• login 可選擇印出 message-of-the-day(motd),check new mail 或執行其他工作
• 至此，login shell 就跑起來了，他的 parent process 為 init，init 會發出 SIGCHID signal，並為這個 terminal 重複一次整個程序
• shell 的 file descriptors 0,1,2 會被設置到 terminal device 上

• 接著 login shell可以調用各自的 start-up file (.profile or .cshrc, .login)

BSD Network Logins

• 為了使 terminal login 和 network login 能用一樣的 program 來 login，software drivcer 會呼叫 pseudo terminal 來將 network login 模擬成 terminal login
• 在 BSD 中 inted 這隻 process 會等待處理大多數的網路連線
• 當系統啟動時，init 會調用一個 shell 來執行 /etc/rc 這個 shell script，他會啟動 inetd 和其他 daemon，當 /etc/rc 結束後，inetd 的 parent會變成 init
• inetd 會等待 TCP/IP 連線，當有連線請求時，inetd 會 fork，並 exec 執行對應的程式

• 當 inetd 收到連線請求後(以 telnet 為例)
  • parent(telnetd) 會處理網路連線上的 communication
  • child 呼叫 exec 執行 login
  • parent 和 child 透過 pseudo terminal 連接 ，child 的 file descriptors 0,1,2 會被設置到 pseudo terminal
  • 如果登入成功後，後續和 terminal login 相同

process group

• 每個 process 會屬於一個 process group
• process group 是一個或多個 processes 的集合，可以從同一個 terminal 收到 signal
• process group 有自己的 pgid，可以用 pid_t type 儲存
• 可以用 pgid 對整個 group 發出 signal 或 waitpid

#include <unistd.h>
 
pid_t getpgrp(void);
/* Returns: process group ID of calling process */
 
pid_t getpgid(pid_t pid);
/* Returns: process group ID if OK, −1 on error */

• 如果 getpgid 的引數 pid 為 0，則會回傳 calling process 的 pgid
• getpgid(0); 等同於 getpgid();
• 每個 process group 可以有一個 process group leader，此 group 的 pgid 為 process group leader 的 pid

process group lifetime

• 起始於 group 被創造的時候
• 結束於 group 最後一個 process terminate 或離開 group，跟 process group leader 存不存在無關

create or join a process group

#include <unistd.h>
 
int setpgid(pid_t pid, pid_t pgid);
/* Returns: 0 if OK, −1 on error */

• if pid==pgid, 該 pid 的 process 成為 process group leader
• if pid==0, 則會使用 caller 的 pid
• if pgid==0, 則 pgid=pid

• setpgid 的限制
  • 一個 process 只能對自己或是其 child 進行 setpgid
  • 當某個 child 呼叫了 exec function 後便無法對其 setpgid

• use setpgid
  • 當 fork 之後 parent 會對 child setpgid
  • 而 child 自己也會在 setpgid 一次
  • 雖然看起來多餘，但可以保證 child 被加入適當的 process group\

Session

• session 是一或多個 process group 的集合
• 以 pipe 連接的 process 會放置在同一個 process group

proc1 | proc2 &
proc3 | proc4 | proc5

create a session

#include <unistd.h>
 
pid_t setsid(void);
/* Returns: process group ID if OK, −1 on error */

• 如果 calling process 不是 process group leader，則 setsid 會創造一個新的 session
  • calling process 會成為新 session 的 session leader，這個 process 是 session 中的唯一 process
  • calling process 也會成一個新 process group 的 process group leader，新的 process group 的 pgid 會為 calling process 的 pid
  • 這個 process 不會有 controlling terminal，如果在呼叫 setsid 前有 controlling terminal，他們的關聯會結束
• 如果 calling function 已經是 process group leader，則 setsid 會 return error

• 確認 setsid 不是回傳 error，一般會呼叫 fork，之後 parent 結束，而child 呼叫 setsid，child 的 pgid 從 parent 繼承而來，而 fork 後 child 會有新的 pid，此保證 child 不會成為 process group leader

get the current session id

#include <unistd.h>
 
pid_t getsid(pid_t pid);
/* Returns: session leader’s process group ID if OK, −1 on error */

• 如果引數 pid 為 0，回傳 calling process 的 session leader 所屬的 pgid
• 基於安全，有些實作會禁止 caller 對和自己屬於不同 session 的 pid 使用 getsid
• session id 為 session leader 的 pid
• 當使用者 login 之後， session leader 通常為 shell

controlling terminal

• 一個 session 可以有一個 controlling terminal，通常是 terminal device 或 pseudo terminal device
• session 可以建立和 controlling terminal 的連線，稱為 controlling process
• session 中可以有一個 foreground process group 和多個 background process groups
• 如果 session 有 controlling terminal，則必有一個 foreground process terminal，其他則為 background process groups
• 當我們按下 terminal 的 interrupt key(Ctrl-C) 或 quit key(Ctrl-Backslash)，SIGINT/SIGQUIT signal 會被發送給 foreground process group 中的所有 processes
• 如果 network disconnect 被 terminal interface 偵測到，SIGHUP signal 會被發送給 controlling process(session leader)

tcgetpgrp, tcsetpgrp and tcgetsid function

#include <unistd.h>
 
pid_t tcgetpgrp(int fd);
/* Returns: process group ID of foreground process group if OK, −1 on error */
 
int tcsetpgrp(int fd, pid_t pgrpid);
/* Returns: 0 if OK, −1 on error */

• The function tcgetpgrp returns the process group ID of the foreground process group associated with the terminal open on fd.
• 如果 process 有 controlling terminal, 則 process 可以呼叫 tcsetpgrp 來將 foreground process group id 設成 pgrpid
• 這兩個 function 通常被 job-control 呼叫

#include <termios.h>
 
pid_t tcgetsid(int fd);
/* Returns: session leader’s process group ID if OK, −1 on error */

• 應用程式若要管理 controlling terminal 可以使用 tcgetsid 來取得此 controlling terminal 的 session leader 的 sid

job control

• 可以讓單一個 terminal 跑多個工作，並決定哪些要在 foreground 那些在 background
• 需要三個條件支援
  • Shell support
  • terminal driver in kernel support
  • kernel must support certain job-control signals
• job 是一系列 process 的集合，通常是 pipeline 的 processes
• terminal driver 會接收的一些訊號
  • SIGINT: generated by the interrupt character (typically DELETE or Control-C)
  • SIGQUIT: generated by the quit character (typically Control-backslash)
  • SIGTSTP: generated by the suspend character (typically Control-Z)
• 在 background 的 process 預設是無法處理 SIGTTIN，像 cat > test.tmp & 在 background 就會 stop，直到使用 fg 將 process 帶回到 foreground ，process才會收到 SIGCONT signal 繼續讀取使用者輸入
• 在 background 的 process 預設可以處理 SIGTTOU ，用 stty tostop 可以 disable background output
• 可以使用 Ctrl-Z 發送 SIGTSTP signal 停止執行中的 foreground process

$ ps -o pid,ppid,pgid,sid,comm | cat1 | cat2
 
 PID   PPID   PGID  SID  COMMAND
 949   947    949   949  sh
 1988  949    949   949  cat2
 1989  1988   949   949  ps
 1990  1988   949   949  cat1

• 根據不同 OS 或 shell 實作方式可能不同

orphaned process group

• 一個 process 若他的 parent 已經 terminate，被 init 接手則此 process 稱為 orphaned
• 整個 process group 可能成為 orphaned process group
• 若一個 process group 中所有 process 的 parent 皆在跟自己相同的 process group 或是不同 session 的其他 process group，則此為 orphaned process group
• 反之若 process group 中有一 process 的 parent 為同 session 但不同 process group，則此 process group 就不是 orphaned

• session structure 會在每次 setsid 被呼叫時配置給每個 session
  • s_count: session 中 process groups 的數量，當被減至 0 時, structure 可被釋放
  • s_leader: 指向 session leader 的 proc structure
  • s_ttyvp: 指向 controlling terminal 的 vnode structure
  • s_ttyp: 指向 controlling terminal 的 tty structure
  • s_sid: session ID

• 當 setsid 被呼叫時，新的 session structure 被配置在 kernel 中
  • s_count 被設為 1
  • s_leader 會指向 calling process 的 proc structure
  • s_sid 被設成 calling process ID
  • 因為 new session 沒有 controlling terminal，s_ttyvp and s_ttyp 被設為 NULL

• tty structure 包含在 kernel 中，用於 terminal device 和 pseudo terminal device
• t_session: 指向擁有這個 terminal 為 controlling terminal 的 session structure，這個指標被 terminal 用來 terminal 發送 hangup signal 給 session leader.tty 和 session struction 互相指向對方
• t_pgrp 指向 foreground process group 的 pgrp structure，這個欄位被 terminal driver 用來發送 signal 給 foreground process group，有三種特殊字元訊號
  • interrupt
  • quit
  • suspend
• t_termios 是一個 structure 包含此 terminal 的所有 special characters 和 related information，像是 baud rate, 是否允許 echo 等
• t_winsize 是一個 winsize structure 包含目前 terminal window 的 size，當 terminal window 的大小改變時，SIGWINCH signal 會被發送給 foreground process group.

• kernel 藉由 session struction 中個欄位的指標找到特定 session 的 foreground process group
  • Follow s_ttyp of the session structure to get to the tty structure (controlling terminal)
  • Follow t_pgrp of the tty structure to get to the pgrp structure (foreground process group)
  • pgrp structure 包含了特定 process group 的資訊
    • pg_id: process group ID.
    • pg_session: 指向此 process group 所屬 session 的 session structure
    • pg_members: 指向一個 list 包含了此 process group 中成員的 proc structures，proc structure 中的 p_pglist structure 是雙向鏈結串列，指向 process group 中前一個和後一個 process
  • vnode structure 在 controlling terminal device 開啟時被配置，所有指向 /dev/tty 的參考都會通過這個 vnode structure

Shichao's notes apue ch9