Python 实现守护进程：原理与代码详解

守护进程概念与背景

假设你正在开发一个 Python 服务程序，并通过命令行启动它。此时，该 Python 服务作为终端程序的子进程运行。一旦你关闭终端窗口，这个命令行程序也会随之终止。为了让你的 Python 服务能够独立于终端运行，即使关闭终端也能常驻系统，你需要将其转换为守护进程。守护进程（Daemon）是指在系统后台运行的程序，它独立于控制终端，负责执行周期性任务或响应触发事件。这类进程通常以字母“d”结尾命名，例如常见的 httpd、syslogd、systemd 和 dockerd 等。

Python 守护进程代码实现

代码实现

Python 能够以简洁的方式实现守护进程。以下提供具体的代码实现及其详细注释：

# coding=utf8
import os
import sys
import atexit
 
 
def daemonize(pid_file=None):
  """
  创建守护进程
  :param pid_file: 保存进程id的文件
  :return:
  """
  # 从父进程fork一个子进程出来
  pid = os.fork()
  # 子进程的pid一定为0，父进程大于0
  if pid:
    # 退出父进程，sys.exit()方法比os._exit()方法会多执行一些刷新缓冲工作
    sys.exit(0)
 
  # 子进程默认继承父进程的工作目录，最好是变更到根目录，否则回影响文件系统的卸载
  os.chdir('/')
  # 子进程默认继承父进程的umask（文件权限掩码），重设为0（完全控制），以免影响程序读写文件
  os.umask(0)
  # 让子进程成为新的会话组长和进程组长
  os.setsid()
 
  # 注意了，这里是第2次fork，也就是子进程的子进程，我们把它叫为孙子进程
  _pid = os.fork()
  if _pid:
    # 退出子进程
    sys.exit(0)
 
  # 此时，孙子进程已经是守护进程了，接下来重定向标准输入、输出、错误的描述符(是重定向而不是关闭, 这样可以避免程序在 print 的时候出错)
 
  # 刷新缓冲区先，小心使得万年船
  sys.stdout.flush()
  sys.stderr.flush()
 
  # dup2函数原子化地关闭和复制文件描述符，重定向到/dev/nul，即丢弃所有输入输出
  with open('/dev/null') as read_null, open('/dev/null', 'w') as write_null:
    os.dup2(read_null.fileno(), sys.stdin.fileno())
    os.dup2(write_null.fileno(), sys.stdout.fileno())
    os.dup2(write_null.fileno(), sys.stderr.fileno())
 
  # 写入pid文件
  if pid_file:
    with open(pid_file, 'w+') as f:
      f.write(str(os.getpid()))
    # 注册退出函数，进程异常退出时移除pid文件
    atexit.register(os.remove, pid_file)

守护进程创建步骤

编写守护进程的核心步骤概括如下：

1. 1. 调用 fork 创建子进程，并立即退出父进程。
2. 2. 子进程修改工作目录（chdir）、重置文件权限掩码（umask），并调用 setsid 创建新的进程组和会话组。
3. 3. 子进程再次 fork 创建孙子进程，并退出子进程。
4. 4. 孙子进程刷新缓冲区，并将标准输入、标准输出和标准错误重定向至 /dev/null（即丢弃所有输入输出）。
5. 5. （可选）将进程 ID（PID）写入指定文件。

核心原理详解

理解守护进程的关键要点

两次 Fork 的必要性

为什么需要 Fork 两次？

第一次 Fork 的目的是使进程脱离终端的控制。父进程退出是因为终端关闭或键盘操作会向其发送信号；而通过 Fork 产生的子进程，在父进程退出后成为孤儿进程，随后被操作系统的 init 进程接管，从而摆脱终端控制。实际上，第二次 Fork 并非绝对必要（许多开源项目代码中并未进行两次 Fork）。但出于谨慎考虑，防止进程重新打开控制终端，通常会进行第二次 Fork。因为子进程此时已成为会话组长（会话中的首个进程），拥有打开控制终端的能力；而通过第二次 Fork 产生的孙子进程，由于不再是会话组长，便无法再打开控制终端。

文件描述符与重定向

文件描述符

在 Linux 系统中，“一切皆文件”。文件描述符是内核为已打开文件创建的索引，通常为非负整数。进程通过文件描述符执行 I/O 操作。默认情况下，0 代表标准输入，1 代表标准输出，2 代表标准错误。

权限掩码 umask 机制

umask 权限掩码

在 Linux 中，任何文件都具备读（read）、写（write）和执行（execute）三种权限。其中，读权限用数字 4 表示，写权限为 2，执行权限为 1。使用命令 ls -l 可查看文件权限，r/w/x 分别表示具有读/写/执行权限。此外，文件还涉及用户（User）、用户组（Group）和其他用户（Others）三种身份权限，通常用三个数字表示，例如 754：

• 7 代表 User 权限，即文件拥有者的权限。
• 5 代表 Group 权限，即拥有者所在用户组成员的权限。
• 4 代表 Others 权限，即其他用户的权限。

umask 用于控制默认权限，防止新建文件或文件夹拥有过高权限。系统默认 umask 通常为 022（可通过命令 umask 查看），这意味着默认创建文件的权限为 644，文件夹权限为 755。可以看出规律：文件权限与 umask 相加结果为 666，文件夹权限与 umask 相加结果为 777。

进程组与会话组管理

进程组

每个进程都属于一个进程组（PG, Process Group），一个进程组可包含多个进程。进程组有一个进程组长（Leader），其进程 ID（PID, Process ID）即作为整个进程组的 ID（PGID, Process Group ID）。

会话组

登录终端时，系统会创建一个会话，多个进程组可包含在一个会话中。创建会话的进程即为会话组长。已经是会话组长的进程，不能再调用 setsid() 方法创建新会话。因此，在上述代码中，子进程可以调用 setsid()，而父进程不能，因为父进程本身就是会话组长。此外，sh（Bourne Shell）不支持会话机制，因为会话机制需要 Shell 支持工作控制（Job Control）。

守护进程与后台进程的区别

守护进程与后台进程

通过 & 符号可以将命令放入后台执行，但这与守护进程不同：

1. 守护进程与终端无关，是被 init 进程收养的孤儿进程；而后台进程的父进程仍是终端，仍可在终端打印信息。
2. 守护进程在关闭终端时依然运行；而后台进程会随用户退出而停止，除非使用 nohup 命令。
3. 守护进程改变了会话、进程组、工作目录和文件描述符；而后台进程直接继承父进程（Shell）的这些属性。

简而言之：守护进程如同默默奋斗、完全独立的有为青年；而后台进程则像继承父辈资产的富二代，仍与父进程（终端）紧密相连。

以上即为 Python 创建守护进程的完整示例与解析。如需了解更多关于 Python 守护进程的资料，请持续关注本站其他相关文章！