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  • (七) 一起学 Unix 环境高级编程(APUE) 之 进程关系 和 守护进程

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    目录

    (一) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 标准IO

    (二) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 文件 IO

    (三) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 文件和目录

    (四) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 系统数据文件和信息

    (五) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 进程环境

    (六) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 进程控制

    (七) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 进程关系 和 守护进程

    (八) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 信号

    (九) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 线程

    (十) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 线程控制

    (十一) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 高级 IO

    (十二) 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 进程间通信(IPC)

    (十三) [终篇] 一起学 Unix 环境高级编程 (APUE) 之 网络 IPC:套接字

    进程关系是《APUE》第三版的第九章,这章的内容对我们来说通常意义不大,因为它终篇贯穿着一个概念,叫做“终端”,而现在已经几乎无法见到真正的终端了。

    但是不了解这章就无法解释第13章(守护进程)的内容,大家要了解终端和进程之间关系才能了解守护进程是个什么东西。

    进程关系与守护进程这两章内容不多,而且有诸多关联,所以我们把这两章的内容放到一起讨论。

    先来看看几个概念。

    1.终端

    真正意义上的终端是“笨设备”,只能接收命令的输入并返回结果。你问它 1+1=? 它也不知道,它只能把你的问题传给计算机,再把计算机返回的结果显示给你。

    它出现在计算机既昂贵又庞大的年代。那时候的计算机昂贵到了只有一部分公司买得起、另一部分公司买不起,而且有些公司只能买一台,买第二台就要破产了的程度。

    所以这么昂贵的设备如果只能给一个人使用太浪费了,于是为了让计算机可以被多人使用,就出现了终端这种设备。

    接下来我们简单的聊聊 Linux 是如何使用户登录的。

    图1 Linux 用户登录过程

    如图1 所示,内核自举时创建 1 号 init 进程,init 对每一个终端执行 fork(2) + exec(3) + getty(1) 命令,getty(1) 命令的作用是要求用户输入用户名。

    等待用户输入完成用户名后,getty(1) 会 exec(3) + login(1)。

    login(1) 命令首先根据用户名通过 getpwnam(3) 函数得到用户的口令文件登录项,然后调用 getpass(3) 函数以屏蔽回显的形式获得用户的密码,最后再通过 crypt(3) 函数将加密后的用户口令与阴影口令文件用户登录项中的 pw_passwd 字段相比较,认证失败几次之后就会回到上图的第一步,init 进程将重新执行 fork(2) + exec(3) + getty(1)。

    如果认证成功则启动用户登录 shell,并使用 chown(2) 更改当前登录终端的所有权,使登录用户成为它的所有者。登录之前的步骤都是 root 身份,所以真正用户权限被降下来就是在这个时候发生的。

    当然 login 要做的事情不仅仅只有这点儿,它还要做许多其它需要为用户初始化的事情。

    说句题外话,大家注意到了没有,如果获取用户名或密码的时候函数的编写者敢使用类似 scanf(3) 这样的函数读取用户输入,则很容易遭受缓冲区溢出攻击。

    2.会话(Session)

    一次成功的终端登录就是一个会话。现在一次 shell 的成功登录,相当于那时候终端的成功登录。会话相当于是进程组的容器,它能承载一个或多个进程组。

    3.进程组

    进程组用来承载进程,一个进程组中有一个或多个进程,它是一个或多个进程的集合(也可以看作是容器)。一个进程不但拥有唯一的 PID,同时也属于一个进程组。

    如何产生一个进程组呢?很简单:

    1 # 使用管道可以用一条命令产生一个进程组。
    2 ls | more

    进程组分为前台进程组和后台进程组。

    一个会话中只能有一个前台进程组,也可以没有前台进程组。

    终端设备(如键盘)只能与前台进程通讯,不能与后台进程通讯,根据约定,如果终端设备与一个后台进程关联,就会杀掉这个后台进程。

    什么是前台进程组呢?比如你正在使用 tar 命令进行打包的时候是无法再输入其它命令的。如果 tar 命令执行的时间很长,我们就会在命令后面添加一个 & 参数,把它放到后台去运行。

    ps(1) 命令的 SID(Session ID)列 就是程序运行的会话 ID。

    进程是先出现的,后来人们发现进程可以拆分为多个小任务分别执行,于是便出现了线程的概念,这个到后面线程的章节会详细讨论。

    如今进程已经退化为容器了,它的存在就是为了承载线程。PID 看似是进程号,实际上是线程在消耗它。

    进程和线程只是我们的说法,内核中只能看到线程,内核所谓的进程管理其实就是线程管理,内核永远以线程为单位执行任务。

    总结来说:会话用来承载进程组,进程组用来承载进程,进程用来承载线程。

    第九章了解这几个概念就差不多了,还记得我们前面提到的 myshell 吗,用 fork(2) + exec(3) + wait(2) 来实现一个可以执行外部命令的 shell。如果你想实现一个支持内部命令的 shell 那么可以仔细学习一下第九章的内容,shell 内部命令处理的主要知识点都在第九章。我们这里就不对第九章讨论得那么详细了,感兴趣的小伙伴可以自己看看书,有什么疑问可以加入博客上方标注的邮件列表讨论。

    4.setsid(2)

    1 setsid - create session and set process group ID
    2 
    3 #include <unistd.h>
    4 
    5 pid_t setsid(void);

    创建一个会话并设置进程组的ID。这个函数是我们在第 9 章最有价值的函数,没有这个函数,我们后面就无法创建守护进程。

    调用者不能是进程组组长,调用者在调用之后自动变为新进程组组长,并且脱离控制终端,进程 ID 将被设为进程组 ID 和会话 ID,所以守护进程通常 PID、PGID、SID 是相同的。通常的用法是父进程 fork(2) 一个子进程,然后子进程调用 setsid(2) 将自己变成守护进程,父进程退出即可。

    5.守护进程

    守护进程的栗子我就不写了,因为《APUE》第三版 P375 图13-1 已经有详细的代码了,我针对书上的栗子总结一下。

    守护进程的特点:

    1)脱离控制终端,ps(1) axj tty 为问号(?)。

    2)是进程组的 leader,也就是 PID 和 PGID 相同。

    3)通常没有父进程,由 1 号  init 接管。

    4)创建了一个新会话,是 session 的 leader,所以 PID 与 SID 相同。

    使用 ps(1) axj 命令查看,PID、PGID、SID 相同的进程就是守护进程。

    守护进程也可以使用标准输出,但是不符合常理了,因为守护进程没有控制终端,所以守护进程一般会关闭或重定向标准输入输出流。

     写守护进程的时候我们会切换工作路径,把它切换到一个一定会存在的路径,比如 /。因为假设你的守护进程是在一个可卸载设备(如U盘)上被启动的,如果不修改工作路径,该设备无法被卸载。

    调用 umask(2) 是为了将文件模式创建掩码设置为一个已知值,因为通过继承得来的掩码可能会被设置为拒绝某些权限,如果守护进程中需要这些权限则要设置它。

    对于书上的栗子,有两点要吐槽:

    1)SIGHUP 信号用于通知服务进程软重启,比如修改了某服务的配置文件之后可以通过给服务进程发 SIGHUP 信号使它重新读取配置文件,所以如果没有特殊要求不必忽略该信号。

    2)如果没有特殊要求,不必关闭所有的文件描述符,仅关闭标准输入、标准输出和标注错误即可。

    6.系统日志

    守护进程不应使用标准输出,那么当守护进程需要记录一些事件或者是错误的时候怎么办呢?那就要采用系统日志了。

    系统日志一般保存在 /var/log/ 目录下,但是这个目录下的日志文件权限几乎都是只有 root 才能读写,那么普通用户的日志如何写入呢?这就需要借助系统日志函数来写日志了。

    root 用户授权给 syslogd 服务专门写日志,然后其它程序都需要通过封装好的一系列函数调用 syslogd 服务来记录日志。这样就提高了日志的安全性了,可以防止日志文件被非法篡改。

    1 closelog, openlog, syslog - send messages to the system logger
    2 
    3 #include <syslog.h>
    4 
    5 void openlog(const char *ident, int option, int facility);
    6 void syslog(int priority, const char *format, ...);
    7 void closelog(void);

    openlog(3) 函数并非是打开日志文件,而是与 syslogd 服务建立链接,表示当前进程要写日志。

    参数列表:

      ident:表明自己的身份,由程序员自行指定,写什么都行。

      option:要在日志中附加什么内容,多个选项用按位或链接。LOG_PID 是附加 PID,这个是最常用的。

      facility:消息来源。一般只能指定一个。

    消息来源 含义
    LOG_CRON 消息来自定时任务
    LOG_DAEMON 消息来自守护进程
    LOG_FTP 消息来自 FTP 服务
    LOG_KERN 消息来自内核
    LOG_USER 默认,常规用户级别消息

    表1 facility 参数的常见需选项

    syslog(3) 函数用于提交日志内容,参数列表:

      priority:优先级。详见下表:

    级别 含义
    LOG_EMERG 「严重」导致系统不可用的问题
    LOG_ALERT 「严重」必须立即处理的情况
    LOG_CRIT 「严重」临界条件
    LOG_ERR 「严重」错误
    LOG_WARNING 警告
    LOG_NOTICE 正常
    LOG_INFO 信息
    LOG_DEBUG 调试

    表2 日志优先级

    以 LOG_ERR 为分界线,如果遇到了程序无法继续运行的问题,要报 LOG_ERR 以上的级别(包括 LOG_ERR)。

    如果遇到的问题不会影响程序继续运行,报 LOG_ERR 以下级别的就可以了。

    日志太多肯定对磁盘空间的要求就比较高,而且无用的日志太多会影响日志审计。日志文件中会记录哪些级别的日志是在配置文件中配置的,默认的情况是 LOG_DEBUG 以上级别的日志都会被记录。

      format:类似于 printf(3) 函数的格式化字符串。注意不要使用转义字符 ,否则日志中会记录一个字符串" "而不是记录一个换行符。

      ...:format 中占位符的参数。

    closelog(3) 表示日志写入结束。

    7.单实例守护进程

    有些守护进程需要在同一时间只能有一个实例在运行,它们称为单实例守护进程。它们在启动的时候会在 /var/run 下面创建一个进程锁文件,守护进程启动的时候会先判断这个锁文件是否存在,如果已存在就报错并退出,如果不存在就继续运行并创建一个锁文件,退出的时候再删除它。

    守护进程如果想要开机自动启动,可以配置到自动启动脚本中:/etc/rc.d/rc.local

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