Python实例浅谈之五Python守护进程和脚本单例运行

一、简介

     守护进程最重要的特性是后台运行；它必须与其运行前的环境隔离开来，这些环境包括未关闭的文件描述符、控制终端、会话和进程组、工作目录以及文件创建掩码等；它可以在系统启动时从启动脚本/etc/rc.d中启动，可以由inetd守护进程启动，也可以有作业规划进程crond启动，还可以由用户终端（通常是shell）执行。
       Python有时需要保证只运行一个脚本实例，以避免数据的冲突。

二、Python守护进程

1、函数实现

#!/usr/bin/env python
#coding: utf-8
import sys, os

'''将当前进程fork为一个守护进程
   注意：如果你的守护进程是由inetd启动的，不要这样做！inetd完成了
   所有需要做的事情，包括重定向标准文件描述符，需要做的事情只有chdir()和umask()了
'''

def daemonize (stdin='/dev/null', stdout='/dev/null', stderr='/dev/null'):
     #重定向标准文件描述符（默认情况下定向到/dev/null）
    try: 
        pid = os.fork() 
          #父进程(会话组头领进程)退出，这意味着一个非会话组头领进程永远不能重新获得控制终端。
        if pid > 0:
            sys.exit(0)   #父进程退出
    except OSError, e: 
        sys.stderr.write ("fork #1 failed: (%d) %s\n" % (e.errno, e.strerror) )
        sys.exit(1)

     #从母体环境脱离
    os.chdir("/")  #chdir确认进程不保持任何目录于使用状态，否则不能umount一个文件系统。也可以改变到对于守护程序运行重要的文件所在目录
    os.umask(0)    #调用umask(0)以便拥有对于写的任何东西的完全控制，因为有时不知道继承了什么样的umask。
    os.setsid()    #setsid调用成功后，进程成为新的会话组长和新的进程组长，并与原来的登录会话和进程组脱离。

     #执行第二次fork
    try: 
        pid = os.fork() 
        if pid > 0:
            sys.exit(0)   #第二个父进程退出
    except OSError, e: 
        sys.stderr.write ("fork #2 failed: (%d) %s\n" % (e.errno, e.strerror) )
        sys.exit(1)

     #进程已经是守护进程了，重定向标准文件描述符

    for f in sys.stdout, sys.stderr: f.flush()
    si = open(stdin, 'r')
    so = open(stdout, 'a+')
    se = open(stderr, 'a+', 0)
    os.dup2(si.fileno(), sys.stdin.fileno())    #dup2函数原子化关闭和复制文件描述符
    os.dup2(so.fileno(), sys.stdout.fileno())
    os.dup2(se.fileno(), sys.stderr.fileno())

#示例函数：每秒打印一个数字和时间戳
def main():
    import time
    sys.stdout.write('Daemon started with pid %d\n' % os.getpid())
    sys.stdout.write('Daemon stdout output\n')
    sys.stderr.write('Daemon stderr output\n')
    c = 0
    while True:
        sys.stdout.write('%d: %s\n' %(c, time.ctime()))
        sys.stdout.flush()
        c = c+1
        time.sleep(1)

if __name__ == "__main__":
      daemonize('/dev/null','/tmp/daemon_stdout.log','/tmp/daemon_error.log')
      main()

        可以通过命令ps -ef | grep daemon.py查看后台运行的继承，在/tmp/daemon_error.log会记录错误运行日志，在/tmp/daemon_stdout.log会记录标准输出日志。

2、类实现

#!/usr/bin/env python
#coding: utf-8

#python模拟linux的守护进程

import sys, os, time, atexit, string
from signal import SIGTERM

class Daemon:
  def __init__(self, pidfile, stdin='/dev/null', stdout='/dev/null', stderr='/dev/null'):
      #需要获取调试信息，改为stdin='/dev/stdin', stdout='/dev/stdout', stderr='/dev/stderr'，以root身份运行。
    self.stdin = stdin
    self.stdout = stdout
    self.stderr = stderr
    self.pidfile = pidfile
  
  def _daemonize(self):
    try:
      pid = os.fork()    #第一次fork，生成子进程，脱离父进程
      if pid > 0:
        sys.exit(0)      #退出主进程
    except OSError, e:
      sys.stderr.write('fork #1 failed: %d (%s)\n' % (e.errno, e.strerror))
      sys.exit(1)
  
    os.chdir("/")      #修改工作目录
    os.setsid()        #设置新的会话连接
    os.umask(0)        #重新设置文件创建权限
  
    try:
      pid = os.fork() #第二次fork，禁止进程打开终端
      if pid > 0:
        sys.exit(0)
    except OSError, e:
      sys.stderr.write('fork #2 failed: %d (%s)\n' % (e.errno, e.strerror))
      sys.exit(1)
  
     #重定向文件描述符
    sys.stdout.flush()
    sys.stderr.flush()
    si = file(self.stdin, 'r')
    so = file(self.stdout, 'a+')
    se = file(self.stderr, 'a+', 0)
    os.dup2(si.fileno(), sys.stdin.fileno())
    os.dup2(so.fileno(), sys.stdout.fileno())
    os.dup2(se.fileno(), sys.stderr.fileno())
  
     #注册退出函数，根据文件pid判断是否存在进程
    atexit.register(self.delpid)
    pid = str(os.getpid())
    file(self.pidfile,'w+').write('%s\n' % pid)
  
  def delpid(self):
    os.remove(self.pidfile)

  def start(self):
     #检查pid文件是否存在以探测是否存在进程
    try:
      pf = file(self.pidfile,'r')
      pid = int(pf.read().strip())
      pf.close()
    except IOError:
      pid = None
  
    if pid:
      message = 'pidfile %s already exist. Daemon already running!\n'
      sys.stderr.write(message % self.pidfile)
      sys.exit(1)
    
    #启动监控
    self._daemonize()
    self._run()

  def stop(self):
    #从pid文件中获取pid
    try:
      pf = file(self.pidfile,'r')
      pid = int(pf.read().strip())
      pf.close()
    except IOError:
      pid = None
  
    if not pid:   #重启不报错
      message = 'pidfile %s does not exist. Daemon not running!\n'
      sys.stderr.write(message % self.pidfile)
      return

     #杀进程
    try:
      while 1:
        os.kill(pid, SIGTERM)
        time.sleep(0.1)
        #os.system('hadoop-daemon.sh stop datanode')
        #os.system('hadoop-daemon.sh stop tasktracker')
        #os.remove(self.pidfile)
    except OSError, err:
      err = str(err)
      if err.find('No such process') > 0:
        if os.path.exists(self.pidfile):
          os.remove(self.pidfile)
      else:
        print str(err)
        sys.exit(1)

  def restart(self):
    self.stop()
    self.start()

  def _run(self):
    """ run your fun"""
    while True:
      #fp=open('/tmp/result','a+')
      #fp.write('Hello World\n')
      sys.stdout.write('%s:hello world\n' % (time.ctime(),))
      sys.stdout.flush() 
      time.sleep(2)
    

if __name__ == '__main__':
    daemon = Daemon('/tmp/watch_process.pid', stdout = '/tmp/watch_stdout.log')
    if len(sys.argv) == 2:
        if 'start' == sys.argv[1]:
            daemon.start()
        elif 'stop' == sys.argv[1]:
            daemon.stop()
        elif 'restart' == sys.argv[1]:
            daemon.restart()
        else:
            print 'unknown command'
            sys.exit(2)
        sys.exit(0)
    else:
        print 'usage: %s start|stop|restart' % sys.argv[0]
        sys.exit(2)

运行结果：

       可以参考：http://www.jejik.com/articles/2007/02/a_simple_unix_linux_daemon_in_python/，它是当Daemon设计成一个模板，在其他文件中from daemon import Daemon，然后定义子类，重写run()方法实现自己的功能。

class MyDaemon(Daemon):
    def run(self):
        while True:
            fp=open('/tmp/run.log','a+')
            fp.write('Hello World\n')
            time.sleep(1)

        不足：信号处理signal.signal(signal.SIGTERM, cleanup_handler)暂时没有安装，注册程序退出时的回调函数delpid()没有被调用。
       然后，再写个shell命令，加入开机启动服务，每隔2秒检测守护进程是否启动，若没有启动则启动，自动监控恢复程序。     

#/bin/sh
while true
do
  count=`ps -ef | grep "daemonclass.py" | grep -v "grep"`
  if [ "$?" != "0" ]; then
     daemonclass.py start
  fi
  sleep 2
done

三、python保证只能运行一个脚本实例

1、打开文件本身加锁

#!/usr/bin/env python
#coding: utf-8
import fcntl, sys, time, os
pidfile = 0

def ApplicationInstance():
    global pidfile
    pidfile = open(os.path.realpath(__file__), "r")
    try:
        fcntl.flock(pidfile, fcntl.LOCK_EX | fcntl.LOCK_NB) #创建一个排他锁,并且所被锁住其他进程不会阻塞
    except:
        print "another instance is running..."
        sys.exit(1)

if __name__ == "__main__":
    ApplicationInstance()
    while True:
        print 'running...'
        time.sleep(1)

       注意：open()参数不能使用w，否则会覆盖本身文件；pidfile必须声明为全局变量，否则局部变量生命周期结束，文件描述符会因引用计数为0被系统回收（若整个函数写在主函数中，则不需要定义成global）。               

2、打开自定义文件并加锁

#!/usr/bin/env python
#coding: utf-8
import fcntl, sys, time
pidfile = 0

def ApplicationInstance():
    global pidfile
    pidfile = open("instance.pid", "w")
    try:
        fcntl.lockf(pidfile, fcntl.LOCK_EX | fcntl.LOCK_NB)  #创建一个排他锁,并且所被锁住其他进程不会阻塞
    except  IOError:
        print "another instance is running..."
        sys.exit(0)

if __name__ == "__main__":
    ApplicationInstance()
    while True:
        print 'running...'
        time.sleep(1)

3、检测文件中PID

#!/usr/bin/env python
#coding: utf-8
import time, os, sys
import signal

pidfile = '/tmp/process.pid'

def sig_handler(sig, frame):
    if os.path.exists(pidfile):
        os.remove(pidfile)
    sys.exit(0)

def ApplicationInstance():
    signal.signal(signal.SIGTERM, sig_handler)
    signal.signal(signal.SIGINT, sig_handler)
    signal.signal(signal.SIGQUIT, sig_handler)

    try:
      pf = file(pidfile, 'r')
      pid = int(pf.read().strip())
      pf.close()
    except IOError:
      pid = None
  
    if pid:
      sys.stdout.write('instance is running...\n')
      sys.exit(0)

    file(pidfile, 'w+').write('%s\n' % os.getpid())

if __name__ == "__main__":
    ApplicationInstance()
    while True:
        print 'running...'
        time.sleep(1)

  

4、检测特定文件夹或文件

#!/usr/bin/env python
#coding: utf-8
import time, commands, signal, sys

def sig_handler(sig, frame):
    if os.path.exists("/tmp/test"):
        os.rmdir("/tmp/test")
    sys.exit(0)

def ApplicationInstance():
    signal.signal(signal.SIGTERM, sig_handler)
    signal.signal(signal.SIGINT, sig_handler)
    signal.signal(signal.SIGQUIT, sig_handler)
    if commands.getstatusoutput("mkdir /tmp/test")[0]:
        print "instance is running..."
        sys.exit(0)

if __name__ == "__main__":
    ApplicationInstance()
    while True:
        print 'running...'
        time.sleep(1)

       也可以检测某一个特定的文件，判断文件是否存在：

import os
import os.path
import time
 
 
#class used to handle one application instance mechanism
class ApplicationInstance:
 
	#specify the file used to save the application instance pid
	def __init__( self, pid_file ):
		self.pid_file = pid_file
		self.check()
		self.startApplication()
 
	#check if the current application is already running
	def check( self ):
		#check if the pidfile exists
		if not os.path.isfile( self.pid_file ):
			return
	 	#read the pid from the file
		pid = 0
		try:
			file = open( self.pid_file, 'rt' )
			data = file.read()
			file.close()
			pid = int( data )
		except:
			pass
		#check if the process with specified by pid exists
		if 0 == pid:
			return
 
		try:
			os.kill( pid, 0 )	#this will raise an exception if the pid is not valid
		except:
			return
 
		#exit the application
		print "The application is already running..."
		exit(0) #exit raise an exception so don't put it in a try/except block
 
	#called when the single instance starts to save it's pid
	def startApplication( self ):
		file = open( self.pid_file, 'wt' )
		file.write( str( os.getpid() ) )
		file.close()
 
	#called when the single instance exit ( remove pid file )
	def exitApplication( self ):
		try:
			os.remove( self.pid_file )
		except:
			pass
 
 
if __name__ == '__main__':
	#create application instance
	appInstance = ApplicationInstance( '/tmp/myapp.pid' )
 
	#do something here
	print "Start MyApp"
	time.sleep(5)	#sleep 5 seconds
	print "End MyApp"
 
	#remove pid file
	appInstance.exitApplication()

        上述os.kill( pid, 0 )用于检测一个为pid的进程是否还活着，若该 pid的进程已经停止则抛出异常，若正在运行则不发送kill信号。

5、socket监听一个特定端口

#!/usr/bin/env python
#coding: utf-8
import socket, time, sys


def ApplicationInstance():
    try:    
        global s
        s = socket.socket()
        host = socket.gethostname()
        s.bind((host, 60123))
    except:
        print "instance is running..."
        sys.exit(0)

if __name__ == "__main__":
    ApplicationInstance()
    while True:
        print 'running...'
        time.sleep(1)

可以将该函数使用装饰器实现，便于重用（效果与上述相同）：

#!/usr/bin/env python
#coding: utf-8
import socket, time, sys
import functools

#使用装饰器实现
def ApplicationInstance(func):
    @functools.wraps(func)
    def fun(*args,**kwargs):
        import socket
        try:
            global s
            s = socket.socket()
            host = socket.gethostname()
            s.bind((host, 60123))
        except:
            print('already has an instance...')
            return None
        return func(*args,**kwargs)
    return fun

@ApplicationInstance
def main():
    while True:
        print 'running...'
        time.sleep(1)

if __name__ == "__main__":
    main()

四、总结

（1）守护进程和单脚本运行在实际应用中比较重要，方法也比较多，可选择合适的来进行修改，可以将它们做成一个单独的类或模板，然后子类化实现自定义。
（2）daemon监控进程自动恢复避免了nohup和&的使用，并配合shell脚本可以省去很多不定时启动挂掉服务器的麻烦。
（3）若有更好的设计和想法，可随时留言，在此先感谢！