【嵌入式】【阿里云服务器】【树莓派】学习守护进程编程、gdb调试原理和内网穿透信息

news2025/5/17 0:06:59

目录

一. 守护进程的含义及编程实现的主要过程

1.1守护进程

1.2编程实现的主要过程

二、在树莓派中通过三种方式创建守护进程

2.1nohup命令创建

2.2fork()函数创建

2.3daemon()函数创建

三、在阿里云中通过三种方式创建守护进程

3.1nohup命令创建

3.2fork()函数创建

3.3daemon()函数创建

四、gdb调试

4.1核心机制

4.2用gdb命令调试一个C程序

五、SSH反向代理，完成树莓派外网访问

5.1阿里云服务器准备

5.2在树莓派上设置SSH反向隧道

5.3验证反向隧道是否成功

5.4验证外网访问树莓派

一. 守护进程的含义及编程实现的主要过程

1.1守护进程

守护进程是运行在后台的独立于终端的进程，通常用于提供系统服务（如Web服务器、数据库等）。其特点包括：

  • 脱离终端控制（不与用户直接交互）。

  • 生命周期长（随系统启动/关闭）。

  • 以root权限或特定用户身份运行。

1.2编程实现的主要过程

（1）屏蔽部分控制终端操作的信号

为了避免终端挂起（SIGHUP）信号影响守护进程，需要在程序开始时忽略该信号。这可以通过signal()函数实现。

#include <signal.h>
​
// 屏蔽SIGHUP信号
signal(SIGHUP, SIG_IGN);

（2） 在后台运行

通过fork()创建一个子进程，父进程退出，子进程继续运行，从而实现程序在后台运行。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
​
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) {
    perror("fork failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
if (pid > 0) {
    exit(EXIT_SUCCESS); // 父进程退出
}

（3） 脱离控制终端、登录会话和进程组

调用setsid()创建一个新的会话，使进程脱离控制终端、登录会话和进程组。

#include <unistd.h>
​
if (setsid() < 0) {
    perror("setsid failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

（4） 禁止进程重新打开控制终端

再次忽略SIGHUP信号，确保进程不会重新打开控制终端。

#include <signal.h>
​
// 再次忽略SIGHUP信号
signal(SIGHUP, SIG_IGN);

（5） 关闭打开的文件描述符

关闭所有已打开的文件描述符，防止守护进程继承不必要的文件描述符。

#include <unistd.h>
#include <limits.h>
​
// 关闭所有打开的文件描述符
for (int fd = 0; fd < sysconf(_SC_OPEN_MAX); fd++) {
    close(fd);
}

（6） 改变当前工作目录

将工作目录改为根目录（/），防止守护进程被挂载的文件系统限制。

#include <unistd.h>
​
// 改变工作目录到根目录
if (chdir("/") < 0) {
    perror("chdir failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

（7） 重设文件创建掩模

设置文件创建掩模为0，允许守护进程创建文件时具有最大权限。

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
​
// 设置文件创建掩模为0
umask(0);

（8） 处理 SIGCHLD 信号

忽略SIGCHLD信号，防止子进程退出影响父进程。

#include <signal.h>
​
// 忽略SIGCHLD信号
signal(SIGCHLD, SIG_IGN);

二、在树莓派中通过三种方式创建守护进程

2.1nohup命令创建

1. 创建测试脚本

nano ~/test_daemon.sh

输入下面内容：

#!/bin/bash
​
while true; do
    echo "$(date): Daemon is running on Raspberry Pi" >> /tmp/daemon.log
    sleep 5
done

2. 设置权限并运行

chmod +x ~/test_daemon.sh nohup ~/test_daemon.sh > /dev/null 2>&1 &

3. 检查运行情况

# 查看进程
ps aux | grep test_daemon

2.2fork()函数创建

1. 安装编译工具（如果尚未安装）

sudo apt update sudo apt install build-essential -y

2. 创建C程序

nano ~/fork_daemon.c

输入下面内容：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
​
int main(int argc, char* argv[]) {
    pid_t process_id = 0;
    pid_t sid = 0;
    
    // 创建子进程
    process_id = fork();
    
    // 创建失败
    if (process_id < 0) {
        printf("fork failed!\n");
        exit(1);
    }
    
    // 父进程退出
    if (process_id > 0) {
        printf("process_id of child process %d \n", process_id);
        exit(0);
    }
    
    // 设置新的会话
    sid = setsid();
    if(sid < 0) {
        exit(1);
    }
    
    // 改变工作目录
    chdir("/");
    
    // 关闭标准输入、输出、错误
    close(STDIN_FILENO);
    close(STDOUT_FILENO);
    close(STDERR_FILENO);
    
    // 守护进程主循环
    while (1) {
        FILE *log = fopen("/tmp/fork_daemon.log", "a+");
        if (log != NULL) {
            time_t now;
            time(&now);
            fprintf(log, "[%ld] Daemon is running (fork method)\n", now);
            fclose(log);
        }
        sleep(5);
    }
    
    return 0;
}

3. 编译运行

gcc ~/fork_daemon.c -o ~/fork_daemon ~/fork_daemon

4. 检查运行情况

ps aux | grep fork_daemon

2.3daemon()函数创建

1. 创建C程序

nano ~/daemon_func.c

输入下面内容：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
​
int main(int argc, char* argv[]) {
    // 使用daemon()函数创建守护进程
    // 参数1: 是否改变工作目录到根目录
    // 参数2: 是否关闭标准输入输出错误
    if (daemon(1, 0) == -1) {
        printf("daemon creation failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 守护进程主循环
    while (1) {
        FILE *log = fopen("/tmp/daemon_func.log", "a+");
        if (log != NULL) {
            time_t now;
            time(&now);
            fprintf(log, "[%ld] Daemon is running (daemon function)\n", now);
            fclose(log);
        }
        sleep(5);
    }
    
    return 0;
}

2. 编译运行

gcc ~/daemon_func.c -o ~/daemon_func ~/daemon_func

3. 检查运行情况

# 查看进程
ps aux | grep daemon_func

三、在阿里云中通过三种方式创建守护进程

3.1nohup命令创建

1. 创建程序

nano nohup_daemon.sh

输入以下内容：

#!/bin/bash
​
while true; do
    echo "$(date): Daemon is running (nohup method)" >> /var/log/nohup_daemon.log
    sleep 10
done

2. 编译运行

sudo chmod +x nohup_daemon.sh设置执行权限

nohup nohup_daemon.sh > /dev/null 2>&1 &使用nohup启动守护进程

3. 检查运行情况

ps aux | grep nohup_daemon

3.2fork()函数创建

1. 创建程序

nano ~/fork_daemon.c

输入以下内容：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <time.h>
#include <string.h>
​
#define LOG_FILE "/var/log/fork_daemon.log"
​
void write_log(const char *message) {
    FILE *log = fopen(LOG_FILE, "a");
    if (log != NULL) {
        time_t now;
        time(&now);
        fprintf(log, "[%s] %s\n", ctime(&now), message);
        fclose(log);
    }
}
​
int main() {
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid < 0) {
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    if (pid > 0) {
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }
    
    umask(0);
    setsid();
    chdir("/");
    
    close(STDIN_FILENO);
    close(STDOUT_FILENO);
    close(STDERR_FILENO);
    
    while (1) {
        write_log("Daemon is running (fork method)");
        sleep(10);
    }
    
    return EXIT_SUCCESS;
}

2. 编译运行

gcc ~/fork_daemon.c -o ~/fork_daemon ~/fork_daemon

3. 检查运行情况

ps aux | grep fork_daemon

3.3daemon()函数创建

1. 创建C程序

nano ~/daemon_func.c

输入下面内容：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
​
int main(int argc, char* argv[]) {
    // 使用daemon()函数创建守护进程
    // 参数1: 是否改变工作目录到根目录
    // 参数2: 是否关闭标准输入输出错误
    if (daemon(1, 0) == -1) {
        printf("daemon creation failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 守护进程主循环
    while (1) {
        FILE *log = fopen("/tmp/daemon_func.log", "a+");
        if (log != NULL) {
            time_t now;
            time(&now);
            fprintf(log, "[%ld] Daemon is running (daemon function)\n", now);
            fclose(log);
        }
        sleep(5);
    }
    
    return 0;
}

2. 编译运行

gcc ~/daemon_func.c -o ~/daemon_func ~/daemon_func

3. 检查运行情况

# 查看进程
ps aux | grep daemon_func

四、gdb调试

4.1核心机制

ptrace系统调用：GDB通过ptrace()接管目标进程的执行权，可访问其内存和寄存器

断点实现：将指定地址的指令替换为int 3（0xCC）触发软中断

符号表加载：读取可执行文件的.symtab和.debug_info节获取变量/函数信息

4.2用gdb命令调试一个C程序

（1）创建 test.c

#include <stdio.h>
​
int multiply(int x, int y) {
​
  return x * y;
​
}
​
int divide(int x, int y) {
​
  if (y == 0) {
​
    fprintf(stderr, "Error: Division by zero\n");
​
    return 0;
​
  }
​
  return x / y;
​
}
​
int main() {
​
  int a = 10, b = 0, c = 20, d;
​
  d = multiply(a, c);
​
  printf("Multiply result: %d\n", d);
​
  d = divide(a, b);
​
  printf("Divide result: %d\n", d);
​
  return 0;

在 main 函数中，变量 a 被初始化为 10，b 被初始化为 0，c 被初始化为 20，d 未初始化。

调用 multiply(a, c) 计算 a 和 c 的乘积，即 10 * 20，结果为 200。这个结果被赋值给 d，所以此时 d 的值为 200。接下来打印 Multiply result: 200。然后调用 divide(a, b) 计算 a 和 b 的商，即 10 / 0。由于 b 的值为 0，这将导致除以零的错误。divide 函数会打印错误信息 "Error: Division by zero" 并返回 0。这个结果被赋值给 d，所以此时 d 的值变为 0。最后打印 Divide result: 0。

（2）编译带调试信息

gcc -g test.c -o test # -g选项生成调试符号

（3）启动 gdb 调试

gdb ./test

（4）设置断点

break multiply

break divide

（5）运行程序

run

（6）单步执行

next

一直next，直到出现divide函数，执行step命令进入到divide含糊内部进行单步调试

step

使用print命令来检查传入 divide函数的参数想和y的值，确保他们的预期值

print x

print y

（7）单步执行

step

程序已经执行了 divide 函数中的 if (y == 0) 条件检查。由于 y 的值是 20（不等于 0），程序将继续执行 if 语句块之外的代码，继续单步执行step

程序已经执行到了 fprintf(stderr, "Error: Division by zero\n"); 这一行，因为在 divide 函数中检测到了除以零的情况，GDB 显示了 fprintf 函数的调用信息

（8）检查d的输出值（d在main函数里面，要检查d的值就要退出divide函数并返回到调用点，使用finish命令）

finish

（9）继续执行程序（程序将继续执行并打印 Divide result: 后跟 d 的值）

continue

完成调试，退出gdb时，使用quit命令

五、SSH反向代理，完成树莓派外网访问

5.1阿里云服务器准备

（1）开放安全组端口

通过命令sudo ufw status可以查看到当前激活的端口，查看是否有我们将要连接的端口。

若没有，需要通过命令sudo ufw allow 9613/tcp 进行端口的开放

（2）修改阿里云的SSH配置文件，允许端口转发

sudo nano /etc/ssh/sshd_config

确保文件中有如下配置：

GatewayPorts yes
AllowTcpForwarding yes

配置完成后重启SSH服务：

sudo systemctl restart sshd

5.2在树莓派上设置SSH反向隧道

首先通过电脑cmd命令行登录进入树莓派

进入后通过命令：ssh -fN -R 端口号:localhost:22 <用户名>@<阿里云IP地址>在树莓派上建立反向SSH隧道

5.3验证反向隧道是否成功

建立成功后我们可以通过一系列命令测试反向隧道是否成功

(1)在阿里云服务器上检查监听端口：

sudo netstat -tuln | grep <端口号>

(2)通过阿里云连接树莓派：

ssh -p 6000 pi@localhost

5.4验证外网访问树莓派

我们通过其他电脑，连接与树莓派不同的WIFI

输入命令ssh -p <端口号> <树莓派地址>@<阿里云IP地址>

然后就可以成功通过外网访问树莓派

参考博客：

Linux系统编程——特殊进程之守护进程_linux c++ 守护进程 exec 自动重启-CSDN博客

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