docs/ctty.htm

   1 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 3.2 Final//EN">
   2 <html><head>
   3  <!-- saved from http://www.win.tue.nl/~aeb/linux/lk/lk-10.html -->
   4  <meta name="GENERATOR" content="SGML-Tools 1.0.9"><title>The Linux kernel: Processes</title>
   5 </head>
   6 <body>
   7 <hr>
   8 <h2><a name="s10">10. Processes</a></h2>
   9
  10 <p>Before looking at the Linux implementation, first a general Unix
  11 description of threads, processes, process groups and sessions.
  12 </p><p>A session contains a number of process groups, and a process group
  13 contains a number of processes, and a process contains a number
  14 of threads.
  15 </p><p>A session can have a controlling tty.
  16 At most one process group in a session can be a foreground process group.
  17 An interrupt character typed on a tty ("Teletype", i.e., terminal)
  18 causes a signal to be sent to all members of the foreground process group
  19 in the session (if any) that has that tty as controlling tty.
  20 </p><p>All these objects have numbers, and we have thread IDs, process IDs,
  21 process group IDs and session IDs.
  22 </p><p>
  23 </p><h2><a name="ss10.1">10.1 Processes</a>
  24 </h2>
  25
  26 <p>
  27 </p><h3>Creation</h3>
  28
  29 <p>A new process is traditionally started using the <code>fork()</code>
  30 system call:
  31 </p><blockquote>
  32 <pre>pid_t p;
  33
  34 p = fork();
  35 if (p == (pid_t) -1)
  36         /* ERROR */
  37 else if (p == 0)
  38         /* CHILD */
  39 else
  40         /* PARENT */
  41 </pre>
  42 </blockquote>
  43 <p>This creates a child as a duplicate of its parent.
  44 Parent and child are identical in almost all respects.
  45 In the code they are distinguished by the fact that the parent
  46 learns the process ID of its child, while <code>fork()</code>
  47 returns 0 in the child. (It can find the process ID of its
  48 parent using the <code>getppid()</code> system call.)
  49 </p><p>
  50 </p><h3>Termination</h3>
  51
  52 <p>Normal termination is when the process does
  53 </p><blockquote>
  54 <pre>exit(n);
  55 </pre>
  56 </blockquote>
  57
  58 or
  59 <blockquote>
  60 <pre>return n;
  61 </pre>
  62 </blockquote>
  63
  64 from its <code>main()</code> procedure. It returns the single byte <code>n</code>
  65 to its parent.
  66 <p>Abnormal termination is usually caused by a signal.
  67 </p><p>
  68 </p><h3>Collecting the exit code. Zombies</h3>
  69
  70 <p>The parent does
  71 </p><blockquote>
  72 <pre>pid_t p;
  73 int status;
  74
  75 p = wait(&amp;status);
  76 </pre>
  77 </blockquote>
  78
  79 and collects two bytes:
  80 <p>
  81 <figure>
  82 <eps file="absent">
  83 <img src="ctty_files/exit_status.png">
  84 </eps>
  85 </figure></p><p>A process that has terminated but has not yet been waited for
  86 is a <i>zombie</i>. It need only store these two bytes:
  87 exit code and reason for termination.
  88 </p><p>On the other hand, if the parent dies first, <code>init</code> (process 1)
  89 inherits the child and becomes its parent.
  90 </p><p>
  91 </p><h3>Signals</h3>
  92
  93 <p>
  94 </p><h3>Stopping</h3>
  95
  96 <p>Some signals cause a process to stop:
  97 <code>SIGSTOP</code> (stop!),
  98 <code>SIGTSTP</code> (stop from tty: probably ^Z was typed),
  99 <code>SIGTTIN</code> (tty input asked by background process),
 100 <code>SIGTTOU</code> (tty output sent by background process, and this was
 101 disallowed by <code>stty tostop</code>).
 102 </p><p>Apart from ^Z there also is ^Y. The former stops the process
 103 when it is typed, the latter stops it when it is read.
 104 </p><p>Signals generated by typing the corresponding character on some tty
 105 are sent to all processes that are in the foreground process group
 106 of the session that has that tty as controlling tty. (Details below.)
 107 </p><p>If a process is being traced, every signal will stop it.
 108 </p><p>
 109 </p><h3>Continuing</h3>
 110
 111 <p><code>SIGCONT</code>: continue a stopped process.
 112 </p><p>
 113 </p><h3>Terminating</h3>
 114
 115 <p><code>SIGKILL</code> (die! now!),
 116 <code>SIGTERM</code> (please, go away),
 117 <code>SIGHUP</code> (modem hangup),
 118 <code>SIGINT</code> (^C),
 119 <code>SIGQUIT</code> (^\), etc.
 120 Many signals have as default action to kill the target.
 121 (Sometimes with an additional core dump, when such is
 122 allowed by rlimit.)
 123 The signals <code>SIGCHLD</code> and <code>SIGWINCH</code>
 124 are ignored by default.
 125 All except <code>SIGKILL</code> and <code>SIGSTOP</code> can be
 126 caught or ignored or blocked.
 127 For details, see <code>signal(7)</code>.
 128 </p><p>
 129 </p><h2><a name="ss10.2">10.2 Process groups</a>
 130 </h2>
 131
 132 <p>Every process is member of a unique <i>process group</i>,
 133 identified by its <i>process group ID</i>.
 134 (When the process is created, it becomes a member of the process group
 135 of its parent.)
 136 By convention, the process group ID of a process group
 137 equals the process ID of the first member of the process group,
 138 called the <i>process group leader</i>.
 139 A process finds the ID of its process group using the system call
 140 <code>getpgrp()</code>, or, equivalently, <code>getpgid(0)</code>.
 141 One finds the process group ID of process <code>p</code> using
 142 <code>getpgid(p)</code>.
 143 </p><p>One may use the command <code>ps j</code> to see PPID (parent process ID),
 144 PID (process ID), PGID (process group ID) and SID (session ID)
 145 of processes. With a shell that does not know about job control,
 146 like <code>ash</code>, each of its children will be in the same session
 147 and have the same process group as the shell. With a shell that knows
 148 about job control, like <code>bash</code>, the processes of one pipeline, like
 149 </p><blockquote>
 150 <pre>% cat paper | ideal | pic | tbl | eqn | ditroff &gt; out
 151 </pre>
 152 </blockquote>
 153
 154 form a single process group.
 155 <p>
 156 </p><h3>Creation</h3>
 157
 158 <p>A process <code>pid</code> is put into the process group <code>pgid</code> by
 159 </p><blockquote>
 160 <pre>setpgid(pid, pgid);
 161 </pre>
 162 </blockquote>
 163
 164 If <code>pgid == pid</code> or <code>pgid == 0</code> then this creates
 165 a new process group with process group leader <code>pid</code>.
 166 Otherwise, this puts <code>pid</code> into the already existing
 167 process group <code>pgid</code>.
 168 A zero <code>pid</code> refers to the current process.
 169 The call <code>setpgrp()</code> is equivalent to <code>setpgid(0,0)</code>.
 170 <p>
 171 </p><h3>Restrictions on setpgid()</h3>
 172
 173 <p>The calling process must be <code>pid</code> itself, or its parent,
 174 and the parent can only do this before <code>pid</code> has done
 175 <code>exec()</code>, and only when both belong to the same session.
 176 It is an error if process <code>pid</code> is a session leader
 177 (and this call would change its <code>pgid</code>).
 178 </p><p>
 179 </p><h3>Typical sequence</h3>
 180
 181 <p>
 182 </p><blockquote>
 183 <pre>p = fork();
 184 if (p == (pid_t) -1) {
 185         /* ERROR */
 186 } else if (p == 0) {    /* CHILD */
 187         setpgid(0, pgid);
 188         ...
 189 } else {                /* PARENT */
 190         setpgid(p, pgid);
 191         ...
 192 }
 193 </pre>
 194 </blockquote>
 195
 196 This ensures that regardless of whether parent or child is scheduled
 197 first, the process group setting is as expected by both.
 198 <p>
 199 </p><h3>Signalling and waiting</h3>
 200
 201 <p>One can signal all members of a process group:
 202 </p><blockquote>
 203 <pre>killpg(pgrp, sig);
 204 </pre>
 205 </blockquote>
 206 <p>One can wait for children in ones own process group:
 207 </p><blockquote>
 208 <pre>waitpid(0, &amp;status, ...);
 209 </pre>
 210 </blockquote>
 211
 212 or in a specified process group:
 213 <blockquote>
 214 <pre>waitpid(-pgrp, &amp;status, ...);
 215 </pre>
 216 </blockquote>
 217 <p>
 218 </p><h3>Foreground process group</h3>
 219
 220 <p>Among the process groups in a session at most one can be
 221 the <i>foreground process group</i> of that session.
 222 The tty input and tty signals (signals generated by ^C, ^Z, etc.)
 223 go to processes in this foreground process group.
 224 </p><p>A process can determine the foreground process group in its session
 225 using <code>tcgetpgrp(fd)</code>, where <code>fd</code> refers to its
 226 controlling tty. If there is none, this returns a random value
 227 larger than 1 that is not a process group ID.
 228 </p><p>A process can set the foreground process group in its session
 229 using <code>tcsetpgrp(fd,pgrp)</code>, where <code>fd</code> refers to its
 230 controlling tty, and <code>pgrp</code> is a process group in
 231 its session, and this session still is associated to the controlling
 232 tty of the calling process.
 233 </p><p>How does one get <code>fd</code>? By definition, <code>/dev/tty</code>
 234 refers to the controlling tty, entirely independent of redirects
 235 of standard input and output. (There is also the function
 236 <code>ctermid()</code> to get the name of the controlling terminal.
 237 On a POSIX standard system it will return <code>/dev/tty</code>.)
 238 Opening the name of the
 239 controlling tty gives a file descriptor <code>fd</code>.
 240 </p><p>
 241 </p><h3>Background process groups</h3>
 242
 243 <p>All process groups in a session that are not foreground
 244 process group are <i>background process groups</i>.
 245 Since the user at the keyboard is interacting with foreground
 246 processes, background processes should stay away from it.
 247 When a background process reads from the terminal it gets
 248 a SIGTTIN signal. Normally, that will stop it, the job control shell
 249 notices and tells the user, who can say <code>fg</code> to continue
 250 this background process as a foreground process, and then this
 251 process can read from the terminal. But if the background process
 252 ignores or blocks the SIGTTIN signal, or if its process group
 253 is orphaned (see below), then the read() returns an EIO error,
 254 and no signal is sent. (Indeed, the idea is to tell the process
 255 that reading from the terminal is not allowed right now.
 256 If it wouldn't see the signal, then it will see the error return.)
 257 </p><p>When a background process writes to the terminal, it may get
 258 a SIGTTOU signal. May: namely, when the flag that this must happen
 259 is set (it is off by default). One can set the flag by
 260 </p><blockquote>
 261 <pre>% stty tostop
 262 </pre>
 263 </blockquote>
 264
 265 and clear it again by
 266 <blockquote>
 267 <pre>% stty -tostop
 268 </pre>
 269 </blockquote>
 270
 271 and inspect it by
 272 <blockquote>
 273 <pre>% stty -a
 274 </pre>
 275 </blockquote>
 276
 277 Again, if TOSTOP is set but the background process ignores or blocks
 278 the SIGTTOU signal, or if its process group is orphaned (see below),
 279 then the write() returns an EIO error, and no signal is sent.
 280 <p>
 281 </p><h3>Orphaned process groups</h3>
 282
 283 <p>The process group leader is the first member of the process group.
 284 It may terminate before the others, and then the process group is
 285 without leader.
 286 </p><p>A process group is called <i>orphaned</i> when <i>the
 287 parent of every member is either in the process group
 288 or outside the session</i>.
 289 In particular, the process group of the session leader
 290 is always orphaned.
 291 </p><p>If termination of a process causes a process group to become
 292 orphaned, and some member is stopped, then all are sent first SIGHUP
 293 and then SIGCONT.
 294 </p><p>The idea is that perhaps the parent of the process group leader
 295 is a job control shell. (In the same session but a different
 296 process group.) As long as this parent is alive, it can
 297 handle the stopping and starting of members in the process group.
 298 When it dies, there may be nobody to continue stopped processes.
 299 Therefore, these stopped processes are sent SIGHUP, so that they
 300 die unless they catch or ignore it, and then SIGCONT to continue them.
 301 </p><p>Note that the process group of the session leader is already
 302 orphaned, so no signals are sent when the session leader dies.
 303 </p><p>Note also that a process group can become orphaned in two ways
 304 by termination of a process: either it was a parent and not itself
 305 in the process group, or it was the last element of the process group
 306 with a parent outside but in the same session.
 307 Furthermore, that a process group can become orphaned
 308 other than by termination of a process, namely when some
 309 member is moved to a different process group.
 310 </p><p>
 311 </p><h2><a name="ss10.3">10.3 Sessions</a>
 312 </h2>
 313
 314 <p>Every process group is in a unique <i>session</i>.
 315 (When the process is created, it becomes a member of the session
 316 of its parent.)
 317 By convention, the session ID of a session
 318 equals the process ID of the first member of the session,
 319 called the <i>session leader</i>.
 320 A process finds the ID of its session using the system call
 321 <code>getsid()</code>.
 322 </p><p>Every session may have a <i>controlling tty</i>,
 323 that then also is called the controlling tty of each of
 324 its member processes.
 325 A file descriptor for the controlling tty is obtained by
 326 opening <code>/dev/tty</code>. (And when that fails, there was no
 327 controlling tty.) Given a file descriptor for the controlling tty,
 328 one may obtain the SID using <code>tcgetsid(fd)</code>.
 329 </p><p>A session is often set up by a login process. The terminal
 330 on which one is logged in then becomes the controlling tty
 331 of the session. All processes that are descendants of the
 332 login process will in general be members of the session.
 333 </p><p>
 334 </p><h3>Creation</h3>
 335
 336 <p>A new session is created by
 337 </p><blockquote>
 338 <pre>pid = setsid();
 339 </pre>
 340 </blockquote>
 341
 342 This is allowed only when the current process is not a process group leader.
 343 In order to be sure of that we fork first:
 344 <blockquote>
 345 <pre>p = fork();
 346 if (p) exit(0);
 347 pid = setsid();
 348 </pre>
 349 </blockquote>
 350
 351 The result is that the current process (with process ID <code>pid</code>)
 352 becomes session leader of a new session with session ID <code>pid</code>.
 353 Moreover, it becomes process group leader of a new process group.
 354 Both session and process group contain only the single process <code>pid</code>.
 355 Furthermore, this process has no controlling tty.
 356 <p>The restriction that the current process must not be a process group leader
 357 is needed: otherwise its PID serves as PGID of some existing process group
 358 and cannot be used as the PGID of a new process group.
 359 </p><p>
 360 </p><h3>Getting a controlling tty</h3>
 361
 362 <p>How does one get a controlling terminal? Nobody knows,
 363 this is a great mystery.
 364 </p><p>The System V approach is that the first tty opened by the process
 365 becomes its controlling tty.
 366 </p><p>The BSD approach is that one has to explicitly call
 367 </p><blockquote>
 368 <pre>ioctl(fd, TIOCSCTTY, 0/1);
 369 </pre>
 370 </blockquote>
 371
 372 to get a controlling tty.
 373 <p>Linux tries to be compatible with both, as always, and this
 374 results in a very obscure complex of conditions. Roughly:
 375 </p><p>The <code>TIOCSCTTY</code> ioctl will give us a controlling tty,
 376 provided that (i) the current process is a session leader,
 377 and (ii) it does not yet have a controlling tty, and
 378 (iii) maybe the tty should not already control some other session;
 379 if it does it is an error if we aren't root, or we steal the tty
 380 if we are all-powerful.
 381 [vda: correction: third parameter controls this: if 1, we steal tty from
 382 any such session, if 0, we don't steal]
 383 </p><p>Opening some terminal will give us a controlling tty,
 384 provided that (i) the current process is a session leader, and
 385 (ii) it does not yet have a controlling tty, and
 386 (iii) the tty does not already control some other session, and
 387 (iv) the open did not have the <code>O_NOCTTY</code> flag, and
 388 (v) the tty is not the foreground VT, and
 389 (vi) the tty is not the console, and
 390 (vii) maybe the tty should not be master or slave pty.
 391 </p><p>
 392 </p><h3>Getting rid of a controlling tty</h3>
 393
 394 <p>If a process wants to continue as a daemon, it must detach itself
 395 from its controlling tty. Above we saw that <code>setsid()</code>
 396 will remove the controlling tty. Also the ioctl TIOCNOTTY does this.
 397 Moreover, in order not to get a controlling tty again as soon as it
 398 opens a tty, the process has to fork once more, to assure that it
 399 is not a session leader. Typical code fragment:
 400 </p><p>
 401 </p><pre>        if ((fork()) != 0)
 402                 exit(0);
 403         setsid();
 404         if ((fork()) != 0)
 405                 exit(0);
 406 </pre>
 407 <p>See also <code>daemon(3)</code>.
 408 </p><p>
 409 </p><h3>Disconnect</h3>
 410
 411 <p>If the terminal goes away by modem hangup, and the line was not local,
 412 then a SIGHUP is sent to the session leader.
 413 Any further reads from the gone terminal return EOF.
 414 (Or possibly -1 with <code>errno</code> set to EIO.)
 415 </p><p>If the terminal is the slave side of a pseudotty, and the master side
 416 is closed (for the last time), then a SIGHUP is sent to the foreground
 417 process group of the slave side.
 418 </p><p>When the session leader dies, a SIGHUP is sent to all processes
 419 in the foreground process group. Moreover, the terminal stops being
 420 the controlling terminal of this session (so that it can become
 421 the controlling terminal of another session).
 422 </p><p>Thus, if the terminal goes away and the session leader is
 423 a job control shell, then it can handle things for its descendants,
 424 e.g. by sending them again a SIGHUP.
 425 If on the other hand the session leader is an innocent process
 426 that does not catch SIGHUP, it will die, and all foreground processes
 427 get a SIGHUP.
 428 </p><p>
 429 </p><h2><a name="ss10.4">10.4 Threads</a>
 430 </h2>
 431
 432 <p>A process can have several threads. New threads (with the same PID
 433 as the parent thread) are started using the <code>clone</code> system
 434 call using the <code>CLONE_THREAD</code> flag. Threads are distinguished
 435 by a <i>thread ID</i> (TID). An ordinary process has a single thread
 436 with TID equal to PID. The system call <code>gettid()</code> returns the
 437 TID. The system call <code>tkill()</code> sends a signal to a single thread.
 438 </p><p>Example: a process with two threads. Both only print PID and TID and exit.
 439 (Linux 2.4.19 or later.)
 440 </p><pre>% cat &lt;&lt; EOF &gt; gettid-demo.c
 441 #include &lt;unistd.h&gt;
 442 #include &lt;sys/types.h&gt;
 443 #define CLONE_SIGHAND   0x00000800
 444 #define CLONE_THREAD    0x00010000
 445 #include &lt;linux/unistd.h&gt;
 446 #include &lt;errno.h&gt;
 447 _syscall0(pid_t,gettid)
 448
 449 int thread(void *p) {
 450         printf("thread: %d %d\n", gettid(), getpid());
 451 }
 452
 453 main() {
 454         unsigned char stack[4096];
 455         int i;
 456
 457         i = clone(thread, stack+2048, CLONE_THREAD | CLONE_SIGHAND, NULL);
 458         if (i == -1)
 459                 perror("clone");
 460         else
 461                 printf("clone returns %d\n", i);
 462         printf("parent: %d %d\n", gettid(), getpid());
 463 }
 464 EOF
 465 % cc -o gettid-demo gettid-demo.c
 466 % ./gettid-demo
 467 clone returns 21826
 468 parent: 21825 21825
 469 thread: 21826 21825
 470 %
 471 </pre>
 472 <p>
 473 </p><p>
 474 </p><hr>
 475
 476 </body></html>