Linux 高性能服务器编程——Linux服务器程序规范

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。

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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。

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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。

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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();

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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。

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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：

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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：

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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。

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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》

from: http://blog.csdn.net/zs634134578/article/details/19575799