《Linux高性能服务器编程》笔记03

Linux高性能服务器编程

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参考

Linux高性能服务器编程源码: https://github.com/raichen/LinuxServerCodes

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第07章 Linux服务器程序规范

除了网络通信外，服务器程序通常还必须考虑许多其他细节问题。这些细节问题涉及面 广且零碎，而且基本上是模板式的，所以我们称之为服务器程序规范。比如：

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，因而也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）。

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。

Linux服务器程序一般以某个专门的非root身份运行。比如mysqld、httpd、syslogd 等后台进程，分别拥有自己的运行账户mysql、apache和syslog。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命令行选项，如果一 次运行的选项太多，则可以用配置文件来管理。绝大多数服务器程序都有配置文件， 并存放在/etc目录下。比如第4章讨论的squid服务器的配置文件是/etc/squid3/squid.conf。

Linux服务器进程通常会在启动的时候生成一个PID文件并存入/var/run目录中，以 记录该后台进程的 PID。比如syslogd 的PID 文件是/var/run/syslogd.pid。

Linux服务器程序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，比如进程可用文件描述符总数和内存总量等。

在开始系统地学习网络编程之前，我们将用一章的篇幅来探讨服务器程序的一些主要的规范。

7.1日志

7.1.1Linux系统日志

工欲善其事，必先利其器。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—syslogd，不过现在的Linux系统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函数生成系统日志的。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。内核日志在老的系统上是通过另外一个守护进程rklogd来管理的，rsyslogd利用额外的模块实现了相同的功能。内核日志由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，会把它们输出至某些特定的 日志文件。默认情况下，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，内核消息则保存至/var/log/kern.log文件。不过，日志信息具体如何分发，可 以在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项包括：内核日志输入路径，是否接收UDP日志及其监听端口(默认是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(比如/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。图7-1总结了Linux的系统日志体系。

7.1.2 syslog 函数

应用程序使用syslog函数与rsyslogd守护进程通信。syslog 函数的定义如下：

#include 
void syslog( int priority, const char* message, …. );

该函数采用可变参数（第二个参数message和第三个参数…）来结构化输出。priority参数是所谓的设施值与日志级别的按位或。设施值的默认值是LOG_USER,我们下面的讨论也 只限于这一种设施值。日志级别有如下几个：

#include 

void syslog( int priority, const char* message, ... );

解释：

• priority： 指定消息的优先级，它包括设施（facility）和级别（level）两个部分。可以通过 LOG_FACMASK 和 LOG_PRIMASK 进行掩码操作获取或设置这两个部分。

• message： 要记录的消息的格式字符串，类似于 printf 中的格式化字符串。

示例：

#include 

int main() {
    openlog("my_program", LOG_PID | LOG_CONS, LOG_USER);

    syslog(LOG_INFO, "This is an informational message.");
    syslog(LOG_ERR, "An error occurred: %s", "File not found");

    closelog();

    return 0;
}

上述示例中，程序首先调用 openlog 打开系统日志，指定了程序标识符为 “my_program”，同时指定了一些选项（LOG_PID 表示在每条日志消息中包含进程ID，LOG_CONS 表示将日志消息发送到控制台）。然后使用 syslog 记录两条日志消息，一条是信息性消息 (LOG_INFO)，另一条是错误消息 (LOG_ERR)。最后调用 closelog 关闭系统日志。

下面这个函数可以改变syslog的默认输出方式，进一步结构化日志内容：

#include 
void openlog( const char* ident, int logopt, int facility );

ident参数指定的字符串将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调用的行为进行配置，它可取下列值的按位或：

facility参数可用来修改syslog函数中的默认设施值。

此外，日志的过滤也很重要。程序在开发阶段可能需要输出很多调试信息，而发布之后 我们又需要将这些调试信息关闭。解决这个问题的方法并不是在程序发布之后删除调试代码 （因为日后可能还需要用到)，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信 息被系统忽略。下面这个函数用于设置syslog的日志掩码：

#include 
int setlogmask( int maskpri );

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，不要忘了使用如下函数关闭日志功能：

#include  
void closelog();

7.2用户信息

7.2.1UID、EUID、GID和EGID

用户信息对于服务器程序的安全性来说是很重要的，比如大部分服务器就必须以root身 份启动，但不能以root身份运行。下面这一组函数可以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ID（GID）和有效组ID（EGID）：

需要指出的是，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。比如su程序，任何用户都 可以使用它来修改自己的账户信息，但修改账户时su程序不得不访问/etc/passwd文件，而 访问该文件是需要root权限的。那么以普通用户身份启动的su程序如何能访问/etc/passwd 文件呢？窍门就在EUID。用ls命令可以查看到，su程序的所有者是root，并且它被设置了 set-user-id标志。这个标志表示，任何普通用户运行su程序时，其有效用户就是该程序的所有者root。那么，根据有效用户的含义，任何运行su程序的普通用户都能够访问/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：给运行目标程序的组用户提供有效组的权限。

#include 
#include 

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

7.2.2切换用户

下面的代码清单7-2展示了如何将以root身份启动的进程切换为以一个普通用户身份运行。

/**
 * @brief 切换用户和用户组
 * 
 * @param user_id 目标用户ID
 * @param gp_id 目标用户组ID
 * @return 切换是否成功
 */
static bool switch_to_user(uid_t user_id, gid_t gp_id)
{
    // 如果目标用户ID和目标用户组ID都为0，表示无需切换
    if ((user_id == 0) && (gp_id == 0))
    {
        return false;
    }

    // 获取当前进程的实际用户组ID和实际用户ID
    gid_t gid = getgid();
    uid_t uid = getuid();

    // 如果当前用户ID不为0，表示已经是非root用户，无需切换
    if (((gid != 0) || (uid != 0)) && ((gid != gp_id) || (uid != user_id)))
    {
        return false;
    }

    // 如果当前用户ID不为0，表示已经是非root用户，无需切换
    if (uid != 0)
    {
        return true;
    }

    // 尝试切换用户组和用户ID
    if ((setgid(gp_id) < 0) || (setuid(user_id) < 0))
    {
        return false;
    }

    return true;
}

该函数的作用是切换进程的用户ID和用户组ID。函数会检查当前用户ID和用户组ID，如果已经是非root用户或者目标用户ID和目标用户组ID为0，表示无需切换，返回 false。如果当前用户ID为0（root用户），则尝试使用 setgid 和 setuid 切换到目标用户组和用户ID。切换成功返回 true，否则返回 false。

7.3进程间关系

7.3.1进程组

Linux下每个进程都隶属于一个进程组，因此它们除了PID信息外，还有进程组ID（PGID)。我们可以用如下函数来获取指定进程的PGID：

#include 
pid_t getpgid( pid_t pid );

该函数成功时返回进程pid所属进程组的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 有进程都退出，或者加入到其他进程组。

下面的函数用于设置PGID：

#include 
int setpgid( pid_t pid, pid_t pgid );

该函数将PID为pid的进程的PGID设置为pgid。如果pid和pgid相同，则由pid指 定的进程将被设置为进程组首领；如果pid为0，则表示设置当前进程的PGID为pgid；如 果pgid为0,则使用pid作为目标PGID。setpgid函数成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。一个进程只能设置自己或者其子进程的PGID。并且，当子进程调用exec系列函数后，我们也不能再在父进程中对它设置PGID。

7.3.2会话

一些有关联的进程组将形成一个会话（session)。下面的函数用于创建一个会话：

#include 
pid_t setsid( void );

该函数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，调用该函数不仅创建新会话，而且有如下额外效果：

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。

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。

调用进程将甩开终端（如果有的话）。

该函数成功时返回新的进程组的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，并提供了如下函数来读取SID：

#include 
pid_t getsid( pid_t pid );

7.3.3用ps命令查看进程关系

执行ps命令可查看进程、进程组和会话之间的关系：

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， 这可以从PPID（父进程PID）一列看出。这3条命令创建了1个会话（SID是1943）和2 个进程组（PGID分别是1943和2298）。bash命令的PID、PGID和SID都相同，很明显它既是会话的首领，也是组1943的首领。ps命令则是组2298的首领，因为其PID也是2298。图7-2描述了此三者的关系。

7.4系统资源限制

Linux上运行的程序都会受到资源限制的影响，比如物理设备限制(CPU数量、内存数量等)、系统策略限制（CPU时间等)，以及具体实现的限制（比如文件名的最大长度）。Linux系统资源限制可以通过如下一对函数来读取和设置：

#include 
int getrlimit( int resource, struct rlimitlim ):
int setrlimit( int resource, const struct rlimit *rlim ); 

rlim参数是rlimit结构体类型的指针，rlimit结构体的定义如下：

struct rlimit
{
    rlim_t rlim_cur; 
    rlim_t rlim max;
};

rlim_t是一个整数类型，它描述资源级别。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，如果超越的话，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 （见第10章）。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。此外，我们可以使用ulimit命令修改当前shell环境下的资源限 制(软限制或/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，而且这种修改是永久的，详情见第16章。

resource参数指定资源限制类型。表7-1列举了部分比较重要的资源限制类型。

7.5改变工作目录和根目录

有些服务器程序还需要改变工作目录和根目录，比如我们第4章讨论的 Web 服务器。一般来说，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分别是：

#include 
char* getcwd( char* buf, size_t size ); 
int chdir( const char* path );

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的长度(再加上一个空结束字符“\0”)超过了size，则getcwd 将返回NULL，并设置errno为ERANGE。如果buf为NULL并且size非0,则getcwd可能 在内部使用malloc动态分配内存，并将进程的当前工作目录存储在其中。如果是这种情况， 则我们必须自己来释放getcwd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（buf指向的缓存区或是getcwd在内部动态创建的缓存区）的指针，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。改变进程根目录的函数是chroot，其定义如下：

#include 
int chroot( const char* path );

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并不改变进程的当前工作目录，所以调用chroot之后，我们仍然需要使用chdir(“/”） 来将工作目录切换至新的根目录。改变进程的根目录之后，程序可能无法访问类似/dev的文 件（和目录)，因为这些文件（和目录）并非处于新的根目录之下。不过好在调用chroot之 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之后不能直接访问的文件(和目录），尤其是一些日志文件。此外，只有特 权进程才能改变根目录。

7.6服务器程序后台化

最后，我们讨论如何在代码中让一个进程以守护进程的方式运行。守护进程的编写遵循 一定的步骤[2]，下面我们通过一个具体实现来探讨，如代码清单7-3所示。

7-3daemonize.cpp

/**
 * @brief 创建守护进程
 * 
 * @return 创建是否成功
 */
bool daemonize()
{
    // 创建子进程
    pid_t pid = fork();
    if (pid < 0)
    {
        // 创建失败
        return false;
    }
    else if (pid > 0)
    {
        // 父进程退出，让子进程成为孤儿进程
        exit(0);
    }

    // 设置文件权限掩码
    umask(0);

    // 创建新会话，并使当前进程成为会话首进程和组长进程
    pid_t sid = setsid();
    if (sid < 0)
    {
        // 创建新会话失败
        return false;
    }

    // 切换工作目录到根目录
    if (chdir("/") < 0)
    {
        // 切换目录失败，记录日志
        return false;
    }

    // 关闭标准输入、标准输出、标准错误描述符
    close(STDIN_FILENO);
    close(STDOUT_FILENO);
    close(STDERR_FILENO);

    // 重定向标准输入、标准输出、标准错误到 /dev/null
    open("/dev/null", O_RDONLY);
    open("/dev/null", O_RDWR);
    open("/dev/null", O_RDWR);

    return true;
}

该函数的作用是创建守护进程。首先通过 fork 创建子进程，父进程退出，使子进程成为孤儿进程。然后调用 setsid 创建新会话，并使当前进程成为新会话的首进程和组长进程。接着切换工作目录到根目录，关闭标准输入、标准输出、标准错误描述符，最后将它们重定向到 /dev/null。函数返回创建是否成功。

实际上，Linux提供了完成同样功能的库函数：

#include 
int daemon( int nochdir, int noclose );

其中，nochdir参数用于指定是否改变工作目录，如果给它传递0，则工作目录将被设置 为“/”（根目录），否则继续使用当前工作目录。noclose参数为0时，标准输入、标准输出 和标准错误输出都被重定向到/dev/null文件，否则依然使用原来的设备。该函数成功时返回 0，失败则返回-1并设置errno。

对int daemon( int nochdir, int noclose );使用举例：

#include 

int main()
{
    int nochdir = 0;  // 是否切换工作目录，0表示切换，非0表示不切换
    int noclose = 0;  // 是否关闭标准输入、标准输出、标准错误，0表示关闭，非0表示不关闭

    int result = daemon(nochdir, noclose);

    if (result == 0)
    {
        // 守护进程的代码逻辑
        while (1)
        {
            // 守护进程的主体工作
            // ...
        }
    }
    else
    {
        // 创建守护进程失败的处理逻辑
        // ...
    }

    return 0;
}

daemon 函数是一种创建守护进程的方法，该函数会调用 fork 创建子进程，并使父进程退出，从而让子进程成为孤儿进程。然后，setsid 函数将子进程创建为新的会话组长和进程组长，与当前终端脱离关系。最后，根据 nochdir 和 noclose 参数判断是否切换工作目录和关闭标准输入、标准输出、标准错误。

在代码示例中，通过设定 nochdir 和 noclose 参数，可以控制是否切换工作目录和关闭标准输入、标准输出、标准错误。函数返回值为0表示创建守护进程成功，-1表示失败。

后记

截至2024年1月20日18点38分，阅读《Linux高性能服务器编程》第七章，记录一下学习过程。