问题聚焦:
    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逛且零碎,而且基本上是模板式的,所以称之为服务器程序规范。
    工欲善其事,必先利其器,这篇主要来探讨服务器程序的一些主要规范。

概览:
  • Linux服务器程序一般以后台程序的形式运行,后台进程又称为守护进程。
  • Linux服务器程序一般以某个专门的非root身份运行。
  • Linux服务器程序通常是可配置的,命令行或者配置文件的形式。
  • Linux服务器程序通常会在启动的时候生成一个PID文件,以记录该后台进程的PID。
  • Linux服务器程序通常需要考虑系统资源和限制。

日志
守护进程:rsyslogd
功能:接收用户进程输出的日志,又能接收内核日志。
用户日志函数:syslog
功能:生成系统日志,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。
内核日志函数:printk
功能:打印至内核的环状缓存中,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。
处理流程如下图所示:
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,调试信息则保存至/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。

syslog函数
功能:应用程序使用syslog函数与rsyslogd守护进程通信。
函数定义:
#include <syslog.h>
void syslog ( int priority, const char* message, ... ); // 可变参数
函数说明:
第二个和第三个参数为可变参数,为了结构化输出
priority参数:设施值与日志级别的按位或。设施值的默认值是LOG_USER,可选值如下:
#include <syslog.h>
#define LOG_EMERG 0 /* 系统不可用 */
#define LOG_ALERT 1 /* 报警,需要立即采取动作 */
#define LOG_CRIT 2 /* 非常严重的情况 */
#define LOG_ERR 3 /* 错误 */
#define LOG_WARNING 4 /* 警告 */
#define LOG_NOTICE 5 /* 通知 */
#define LOG_INFO 7 /* 信息 */
#define LOG_DEBUG 8 /* 调试 */
函数:openlog
声明:
#include <syslog.h>
void openlog ( const char* ident, int logopt, int facility );
作用:改变syslog的默认输出方式,进一步结构化日志内容
函数说明:
ident:指定的字符串将被添加到日志消息的日期和时间之后,通常被设置为程序的名字。
logopt:对后续syslog调用的行为进行配置,可取下列值的按位或:
#define    LOG_PID        0x01            /* 在日志消息中包含程序PID */
#define LOG_CONS 0x02 /* 如果消息不能记录到日志文件,则打印至终端 */
#define LOG_ODELAY 0x04 /* 延迟打开日志功能直到第一次调用syslog */
#define LOG_NDELAY 0x08 /* 不延迟打开日志功能 */
facility:修改syslog函数中的默认设施值
日志掩码:使日志级别大于日志掩码的日至信息被系统忽略。
函数:
#include <syslog.h>
int setlogmask( int maskpri );
函数说明:
maskpri:指定日志掩码值。
该函数始终会成功,返回调用进程先前的日志掩码值。
例如:
setlogmask(LOG_ERR); //仅仅记录ERR级别的日志消息
setlogmask(LOG_UPTO(LOG_ERR)); //记录ERR以及之前的所有日志的消息[0,3]
关闭日志功能:
#include <syslog.h>
void closelog();

用户信息
用户信息包括:
  • UID:实际用户ID
  • EUID:有效用户ID
  • GID:实际组ID
  • EGID:有效组ID
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
uid_t getuid(); //获取实际用户ID
uid_t geteuid(); //获取有效用户ID
gid_t getgid(); // 获取实际组ID
gid_t getegid(); // 获取有效组ID
int setuid( uid_t uid ); //设置实际用户ID
int seteuid( uid_t uid ); //设置有效用户ID
int setgid( gid_t gid ); // 设置实际组ID
int setegid( gid_t gid ); // 设置有效组ID
从函数名很容易看出函数的作用,就不解释了。
说明一下UID和EUID的区别:
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资源的有效用户的权限,比如root用户。
实际用户指的是进程的执行者是谁,当用户使用用户名和密码成功登陆一个linux系统后就唯一确定其ID。
有效用户ID指的是进程执行时对文件的访问权限。
测试进程的UID和EUID的区别:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
uid_t uid = getuid();
uid_t euid = geteuid();
printf("userid is %d,effective userid is %d\n",uid,euid);
return 0;
}

@ubuntu:~$ sudo chown root:root test_uid  // 修改目标文件的所有者为root
@ubuntu:~$ sudo chmod +s test_uid // 设置目标文件的set-user-id 标志 注意这段很重要
@ubuntu:~$ ./test_uid // 运行程序
userid is 1000,effective userid is 0

从测试程序的输出来看,进程的UID是启动程序的用户的ID,而EUID则是root账户(文件的所有者) 的ID。


进程间关系
进程组
进程中:每个进程都隶属于一个进程组,所以每个进程还有一个进程组ID(PGID)。
函数:
#include <unistd.h>
pid_t getpgid( pid_t pid );
每个进程都有一个首领进程,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中。
设置PGID函数:
#include <unistd.h>
int setpgid( pid_t pid, pid_t pgid );
作用: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。
会话
会话:一些有关联的进程组形成一个会话。
函数:
#include <unistd.h>
pid_t setsid( void );
函数说明:
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,此时该进程是该会话的唯一成员。
  • 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)。
会话ID即为首领所在进程组的PGID,获取会话ID(SID)函数:
#include <unistd.h>
pid_t getsid ( pid_t pid );
用ps命令查看进程关系
调用结果如图(PPID为父进程的PID):
三个进程的关系如图:

系统资源限制
Linux系统资源限制可以通过如下一对函数来读取和设置:
#include <sys/resource.h>
int getrlimit( int resource, struct rlimit *rlim );
int setrlimit( int resource, const struct rlimit *rlim );
rlimit结构体的定义如下:
struct rlimit
{
rlim_t rlim_cur; //软限制
rlim_t rlim_max; //硬限制
};
函数说明:
rlim_t 是一个整数类型,它描述资源级别。
rlim_cur:指定资源的软限制。软限制是建议性的、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。
rlim_max:指定资源的硬限制。硬限制是软限制的上限。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。
resource:指定资源限制类型。
此外,我们可以使用ulimit命令修改当前shell环境下的资源限制(软限制或硬限制),这种修改将对该shell启动的所有后续程序有效。
部分资源限制类型如下所示:

改变工作目录和根目录
获取当前工作目录和改变进程工作目录的函数分别是:
#include <unistd.h>
char* getcwd( char* buf, size_t size );
int chdir( const char* path );
函数说明:
buf:指向的内存用于存储进程当前工作目录的绝对路径。
size:指定buf的大小,如果当前工作目录的绝对路径的长度超过了size,则getcwd将返回NULL,并设置errno为ERANGE。
path:指定要切换的目标目录。成功时返回0,失败返回-1并设置errno。
改变进程根目录的函数是chroot,其定义如下:
#include <unistd.h>
int chroot( const char* path );
函数说明:
path:指定要切换的目标根目录。
chroot并不改变进程的当前工作目录,所以调用chroot之后,我们仍需要使用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。
注意:只有超级用户才允许改变根目录,子进程将继承新的根目录。

服务器程序后台化
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h> bool daemonize()
{
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) {
return false;
}
else if (pid > 0) {
exit(0);
} umask(0); //设置新的会话,设置本进程为进程组的首领
pid_t sid = setsid();
if (sid < 0)
return false; //切换工作目录
if ((chdir("/")) < 0)
return false; printf("2. pid: %ld, parent id: %ld\n", (long)getpid(), (long)getppid()); //关闭标准输入,标准输出,标准错误输出
close(STDIN_FILENO);
close(STDOUT_FILENO);
close(STDERR_FILENO); //重定向标准输入,标准输出,标准错误输出到/dev/null
open("/dev/null", O_RDONLY);
open("/dev/null", O_RDWR);
open("/dev/null", O_RDWR);
return true;
} int main(int argc, char **argv)
{
printf("1. pid: %ld, parent id: %ld\n", (long)getpid(), (long)getppid());;
daemonize();
return 0;
}

daemon函数,实现了上述守护进程的功能:

#include <unistd.h>
int daemon(int nochdir, int noclose);

nochdir参数用于指定是否改变工作目录,如果是0,则工作目录将设置为”/“, 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,标准错误输出都被重定向到/dev/null,否则依然使用原来的设备。

调用成功时返回0,失败时返回-1,并设置errno。

小结:
这章虽然叫做程序规范,其实更多的是介绍一些开发过程,特别是中大型项目中很有用的技巧,可以提高我们的开发和调试效率。
后面将会介绍一些常用的设计框架,这些都是比较基础的知识。后面如果还有时间,希望可以用我们学到的这些知识做一个小项目出来。也算是学以致用了。
参考资料:
《Linux高性能服务器编程》

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