Linux高性能服务器编程学习笔记第七章 Linux服务器程序规范

除了网络通信外，服务器程序通常还需考虑许多其他细节问题，这些细节问题涉及广而零碎，且基本上是模板式的，我们称之为服务器程序规范，如：
1.Linux服务器程序一般以后台进程形式运行，后台进程又称守护进程（daemon），它没有控制终端，因此不会意外接收到用户输入。守护进程的父进程通常是init进程（PID为1的进程）。

2.Linux服务器程序通常有一套日志系统，它至少能输出日志到文件，有的高级服务器还能输出日志到专门的UDP服务器。大部分后台进程都在/var/log目录下拥有自己的日志目录。

3.Linux服务器程序一般以某个专门的非root身份运行，如mysqld、httpd、syslogd等后台进程分别拥有运行账户mysql、apache、syslog。

4.Linux服务器程序通常是可配置的，服务器程序通常能处理很多选项，如果选项太多，除命令行外可用配置文件来管理。绝大多数服务器程序都有配置文件，并存放在/etc目录下，如squid服务器的配置文件是/etc/squid3/squid.conf。

5.Linux服务器进程通常会在启动时生成一个PID文件并存入/var/run目录中，以记录该后台进程的PID，如syslogd的PID文件是/var/run/syslogd.pid。

6.Linux服务器通常需要考虑系统资源和限制，以预测自身能承受多大负荷，如进程可用文件描述符总数和内存总量等。

服务器的调试和维护都需要一个专业的日志系统，Linux提供一个守护进程来处理系统日志，即syslogd，但现在Linux上使用的都是它的升级版rsyslogd。

rsyslogd守护进程既能接收用户进程输出的日志，又能接收内核日志。用户进程是通过调用syslog函数生成日志的，该函数将日志输出到一个UNIX本地域socket类型（AF_UNIX）的文件/dev/log中，rsyslogd则监听该文件以获取用户进程的输出。内核日志在老系统上是通过rklogd守护进程管理的，rsyslogd利用以下技术实现了同样的功能：内核日志有printk等函数打印至内核的环状缓存（ring buffer）中，环状缓存的内容直接映射到/proc/kmsg文件中，rsyslogd则通过读取该文件获得内核日志。

rsyslogd守护进程在接收到用户进程或内核输入的日志后，会把它们输出至特定的日志文件，默认，调试信息会保存至/var/log/debug文件，普通信息保存至/var/log/messages文件，内核消息保存至/var/log/kern.log文件，但日志信息具体如何分发，可在rsyslogd的配置文件中设置。rsyslogd的主配置文件是/etc/rsyslog.conf，其中主要可以设置的内容包括：内核日志输入路径（接收来自操作系统内核的日志消息的路径），是否接收UDP日志及其监听端口（默认为514，见/etc/services文件），是否接收TCP日志及其监听端口，日志文件的权限，包含哪些子配置文件（如/etc/rsyslog.d/*.conf）。rsyslogd的子配置文件则指定各类日志的目标存储文件。
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上图中的dmesg是一个Linux和Unix系统中的命令行工具，用于显示系统的内核消息。

应用进程使用syslog函数与rsyslogd守护进程通信：
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syslog函数使用可变参数（第二个参数message和后面的可变参数列表）来结构化输出。priority参数是设施值和日志级别的按位或，设施值的默认值是LOG_USER，日志级别有以下几个：

openlog函数可改变syslog函数的默认输出方式，进一步结构化日志内容：
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ident参数指定的字符串被添加到日志消息的日期和时间之后，它通常被设置为程序的名字。logopt参数对后续syslog函数的行为进行配置，它可取以下值的按位或：

facility参数修改syslog函数中的默认设施值。

程序在开发阶段可能需要输出很多调试信息，而发布后又需要将这些调试信息关闭，解决这个问题的方法不是在程序发布后删除调试代码（因为日后我们可能还需要用到），而是简单地设置日志掩码，使日志级别大于日志掩码的日志被系统忽略。setlogmask函数可用于设置syslog的日志掩码：
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maskpri参数指定日志掩码值，该函数始终会成功，它返回调用进程先前的日志掩码值。最后使用closelog函数关闭日志功能：

大部分服务器需要以root身份启动，但不能以root身份运行，以下函数可获取和设置当前进程的真实用户ID（UID）、有效用户ID（EUID）、真实组（GID）、有效组（EGID）：
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一个进程拥有两个用户ID：UID和EUID，EUID存在的目的是方便资源访问，它使得运行程序的用户拥有该程序的有效用户的权限，如su程序，任何用户都可使用它修改自己的账户信息，但修改账户时su程序需要访问/etc/passwd文件，而访问该文件需要root权限，用ls命令可以看到，su程序的所用者是root，且它被设置了set-user-id标志，这个标志表示，任何用户运行su程序时，其有效用户id就是该程序的所有者（即root），因此根据有效用户的含义，任何运行su程序的用户都能访问/etc/passwd文件。有效用户为root的进程称为特权进程（privileged processes）。EGID的含义与EUID类似，能给运行目标程序的用户提供有效组的权限。

可用以下程序测试进程的UID和EUID的区别：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    uid_t uid = getuid();
    uid_t euid = geteuid();
    printf("userid is %d, effective userid is: %d\n", uid, euid);
    return 0;
}

将以上程序（名为test_uid）的所有者设置为root，并设置该文件的set-user-id标志，然后运行该程序以查看UID和EUID，具体操作如下：
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由上图，进程UID是启动程序的用户的ID，而EUID是root账户（文件所有者）的ID。

以下代码将以root身份启动的进程切换为真实用户ID运行：

static bool switch_to_user(uid_t user_id, gid_t gp_id) {
    // 确保目标用户不是root，root用户的用户ID和组ID都是0
    if ((user_id == 0) && (gp_id == 0)) {
        return false;
    }

    gid_t gid = getgid();
    uid_t uid = getuid();
    // 如果当前用户不是root也不是目标用户
    if (((gid != 0) || (uid != 0)) && ((gid != gp_id) || (uid != user_id))) {
        return false;
    }

    // 如果不是root，则已经是目标用户了
    if (uid != 0) {
        return true;
    }

    // 切换到目标用户
    if ((setgid(gp_id) < 0) || (setuid(user_id) < 0)) {
        return false;
    }

    return true;
}

Linux下每个进程都属于一个进程组，因此进程除了有PID信息外，还有进程组ID（PGID），可用getpgid函数获取指定进程的PGID：
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getpgid函数成功时返回pid参数表示进程所属的进程组PGID，失败则返回-1并设置errno。

每个进程组都有一个首领进程，其PGID和PID相同，进程组将一直存在，直到其中所有进程都离开进程组中（终止或者加入到其他进程组）。

以下函数用于设置PGID：
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setpgid函数将参数pid表示进程的PGID设置为参数pgid。如果pid和pgid参数相同，则由pid参数指定的进程将被设置为进程组首领，如果pid参数为0，则表示把当前进程的PGID设置为pgid参数，如果pgid参数为0，则表示将pid参数指定的进程组ID设置为本进程的PID。setpgid函数成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。

一个进程只能设置自己或其子进程的PGID，且子进程调用exec系列函数后，我们就不能在父进程中对它设置PGID。

setsid函数用于创建一个会话：
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setsid进程不能由进程组的首领进程调用，否则将产生一个错误。对于非组首领的进程，调用该函数会创建新会话，且还有如下额外效果：
1.调用进程成为会话的首领，此时该进程是新会话的唯一成员。

2.新建一个进程组，其PGID就是调用进程的PID，调用进程成为该组的首领。

3.调用进程将失去终端（如果有的话）。

setsid函数成功时返回新进程组的PGID，失败则返回-1并设置errno。

Linux进程并未提供所谓会话ID（SID）的概念，但Linux系统认为它等于会话首领所在的进程组的PGID，并提供了函数getsid来读取SID：
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可用ps命令查看进程、进程组、会话之间的关系：

我们是在bash shell下执行ps和less命令的，所以ps和less命令的父进程是bash命令，这可从PPID（父进程PID）一列看出。这3条命令创建了一个会话（SID是1943）和2个进程组（PGID分别是1942和2298）。bash命令的PID、PGID、SID都相同，说明它是会话的首领，也是组1943的首领。ps命令则是组2298的首领，因为其PID也是2298。下图描述了上图中3个进程的关系：
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Linux上运行的程序会受到资源限制的影响，如物理设备限制（CPU、内存等）、系统策略限制（CPU时间等）、具体实现的限制（文件名的最大长度等）。Linux系统资源限制可通过以下函数来读取或设置：

rlim参数是rlimit类型的指针：
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rlim_t是一个整数类型，它描述资源量。rlim_cur成员指定资源的软限制，rlim_max成员指定资源的硬限制。软限制是一个建议性的，最好不要超越的限制，如果超越，系统可能向进程发送信号以终止其运行，例如，当进程CPU时间超过其软限制时，系统将向进程发送SIGXCPU信号，当文件尺寸超过其软限制时，系统将向进程发送SIGXFSZ信号。硬限制一般是软限制的上限，普通程序可以减小硬限制，而只有以root身份运行的程序才能增加硬限制。我们可用ulimit命令修改当前shell环境下的资源限制（软限制和硬限制），这种修改将对该shell启动的所有后续程序有效，我们也可以通过修改配置文件来改变系统软限制和硬限制，且这种修改是永久的。

resource参数指定资源限制类型，下标列出了部分比较重要的资源限制类型：
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setrlimit和getrlimit函数成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。

有些服务器程序还需改变工作目录和根目录，一般，Web服务器的逻辑根目录并非文件系统的根目录，而是站点的根目录（对于Linux的Web服务来说，该目录一般是/var/www）。

获取进程当前工作目录和改变进程工作目录的函数：
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buf参数指向的内存用于存储进程当前工作目录的绝对路径名，其大小由size参数指定。如果当前工作目录的绝对路径长度加上结束字符\0超过了size参数，则getcwd函数将返回NULL，并将errno设为ERANGE。如果buf参数为NULL且size参数非0，则getcwd函数可能在内部使用malloc函数动态分配内存，并将进程的当前工作目录存储在其中，此时我们必须自己释放getcwd函数在内部创建的这块内存。getcwd函数成功时返回一个指向目标存储区的指针（指向buf参数或getcwd函数在内部动态创建的缓存区），失败则返回NULL并设置errno。

chdir函数的path参数指定要切换到的目标目录，它成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。

chroot函数改变进程根目录：
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path参数指定要切换到的目标根目录，它成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。chroot函数不改变进程的当前工作目录，所以调用chroot后，我们仍需使用chdir("/")将工作目录切换到新的根目录。改变进程的根目录后，我们可能无法访问类似/dev的文件或目录，因为它们并非处于新的根目录之下，但调用chroot后，进程原先打开的文件描述符依然生效，所以我们可以利用这些早先打开的文件描述符来访问调用chroot后不能直接访问的文件或目录，尤其是一些日志文件。只有特权进程才能改变根目录。

以下函数可以让一个进程以守护进程的方式运行：

bool daemonize() {
    // 创建子进程，关闭父进程，这样子进程就不是进程组首进程，就可以调用setsid了
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0) {
        return false;
    } else if (pid > 0) {
        exit(0);
    }

    // 设置文件权限掩码，这样当进程创建新文件时，文件的额权限将是0777
    umask(0);

    // 创建新会话，本进程将成为进程组的首领
    pid_t sid = setsid();
    if (sid < 0) {
        return false;
    }

    // 切换工作目录，防止当前工作目录所在文件系统不能卸载
    if ((chdir("/")) < 0) {
        return false;
    }

    // 关闭所有文件描述符
    close(STDIN_FILENO);
    close(STDOUT_FILENO);
    close(STDERR_FILENO);
    // 此处省略了关闭其他已打开的文件描述符的代码

    // 将标准输入、标准输出、标准错误重定向到/dev/null文件
    open("/dev/null", O_RDONLY);
    open("/dev/null", O_RDWR);
    open("/dev/null", O_RDWR);
    return true;
}

Linux提供了完成以上功能的库函数：
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nochdir参数用于指定是否改变工作目录，如果传0，则工作目录将被设为根目录，否则继续使用当前工作目录。noclose参数传0表示将标准输入、标准输出、标准错误重定向到/dev/null文件，否则不改变这些文件描述符。daemon函数成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。