守護行程和 inetd 超級伺服器

系列文章導航：《Unix 網路程式設計》筆記

守護行程

基本知識

守護行程的特點：

• 必須親自脫離與控制終端的關聯，從而避免與作業控制、終端對談管理、終端產生訊號等發生任何不期望的互動
• 同時要避免在後臺執行的守護行程非預期地輸出到終端

守護行程的啟動

• 由系統初始化指令碼啟動，通常位於 /etc/rc 或 /etc 目錄下，由這些指令碼啟動的守護行程一開始就有用超級使用者特權

  如：inetd 超級伺服器、Web 伺服器、sendmail 伺服器

• 由 inetd 超級伺服器啟動，它監聽網路請求

• cron 守護行程按照規則定期執行一些程式，由它執行的程式同樣作為守護行程執行

• at 命令用於在未來某個時刻執行一些程式

• 守護行程還可以從使用者終端或在前臺或者後臺啟動，這麼做往往是為了測試

daemon_init

• 這是我們自己寫的一個函數，把一個普通程序轉變為守護行程
• 部分 Unix 變體上提供一個名為 daemon 的 C 庫函數，實現類似的功能

由於這段程式碼涉及的知識點比較多，所以首先需要補充一點作業系統的知識：Linux 程序、行程群組、對談週期、控制終端

按照上文中的描述閱讀下述程式碼：

1. 在父程序（此時是一個行程群組的組長）中使用fork()產生子程序（將來的守護行程由它產生）
2. 呼叫setsid()，用於生成一個新的對談 注意如果當前程序是對談組長時，呼叫失敗。第一點已經可以保證程序不是對談組長了，所以setsid()呼叫成功後，程序成為新的對談組長和新的行程群組長，並與原來的登入對談和行程群組脫離。由於對談對控制終端的獨佔性，程序同時與控制終端脫離
3. 禁止程序重新開啟控制終端 第二步之後，程序已經成為無終端的對談組長。但它可以重新申請開啟一個控制終端。可以通過使程序不再成為對談組長來禁止程序重新開啟控制終端，在上面的控制終端中已經提到了只有對談組長才能開啟控制終端；

#include <syslog.h>
#include "unp.h"

#define MAXFD 64

extern int daemon_proc; /* defined in error.c */

int daemon_init(const char* pname, int facility) {
    int i;
    pid_t pid;

    if ((pid = Fork()) < 0) // 失敗
        return (-1);
    else if (pid)   // 父程序
        _exit(0); /* parent terminates */

    /* child 1 continues... */

    // setsid 使得當前程序變為：
    // - 新對談的對談頭程序
    // - 新行程群組的行程群組頭程序
    if (setsid() < 0)
        return (-1);

    // 忽略 SIGHUP 訊號
    // 對談頭程序終止後，所有其他對談程序都會收到一個該訊號
    Signal(SIGHUP, SIG_IGN);
    if ((pid = Fork()) < 0)
        return (-1);
    else if (pid)
        _exit(0); /* child 1 terminates */

    /* child 2 continues... */

    // 告知錯誤處理常式使用 syslog 而不是 fprintf
    daemon_proc = 1; /* for err_XXX() functions */

  	// 改變工作目錄，否則就是在當前目錄下執行，可能產生破壞
    chdir("/");

    // 關閉前 64 個描述符，即使有些本身就沒有開啟
    for (i = 0; i < MAXFD; i++)
        close(i);

    /* redirect stdin, stdout, and stderr to /dev/null */
    // 這樣設定會佔用標準輸入、標準輸出和標準錯誤輸出的描述符
    // 防止在伺服器環境下，通訊端佔用這些描述符，而後誤將系統資訊傳送給這些描述符
    open("/dev/null", O_RDONLY);
    open("/dev/null", O_RDWR);
    open("/dev/null", O_RDWR);

    openlog(pname, LOG_PID, facility);

    return (0); /* success */
}

守護行程在沒有控制終端的環境下執行，它絕對不會收到來自核心的 SIGHUP 訊號，許多守護行程因此把這個訊號作為來自系統管理員的一個通知，表示其組態檔已發生改動，守護行程應該重新讀取其組態檔。同理還有 SIGINT 和 SIGWINCH 等等

改進時間伺服器

int main(int argc, char** argv) {
    int listenfd, connfd;
    socklen_t addrlen, len;
    struct sockaddr* cliaddr;
    char buff[MAXLINE];
    time_t ticks;

  	// 如果有一些顯而易見的錯誤，則立即丟擲，而不是在紀錄檔中丟擲
    if (argc < 2 || argc > 3)
        err_quit("usage: daytimetcpsrv2 [ <host> ] <service or port>");

    // 使用我們的函數啟動
    daemon_init(argv[0], 0);

    if (argc == 2)
        listenfd = Tcp_listen(NULL, argv[1], &addrlen);
    else
        listenfd = Tcp_listen(argv[1], argv[2], &addrlen);

    cliaddr = Malloc(addrlen);

    for (;;) {
        len = addrlen;
        connfd = Accept(listenfd, cliaddr, &len);
        err_msg("connection from %s", Sock_ntop(cliaddr, len));

        ticks = time(NULL);
        snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));
        Write(connfd, buff, strlen(buff));

        Close(connfd);
    }
}

紀錄檔訊息

syslogd

Unix 系統中的 syslogd 守護行程通常由某個系統初始化指令碼啟動，並且在系統工作期間一直執行

啟動的步驟：

1. 讀取設定：通常為 /etc/syslog.conf ，設定了對訊息的處理
2. 建立Unix域資料包通訊端：給他繫結路徑名 /var/run/log （或 /dev/log）
3. 建立一個 UDP 通訊端：繫結埠 514
4. 開啟路徑名 /dev/klog：來自核心中的任何出錯訊息從這個「裝置」輸入
5. 監聽：呼叫 select，監聽 2 ~ 4 步驟的描述符
   • 如果收到訊息，讀入並按照設定進行處理
   • 如果收到 SIGHUP 訊號，則重新讀取組態檔 （這讓我想到了 NGINX 過載組態檔時服務無需暫停）

較新的 syslogd 實現禁止建立 UDP 通訊端，因為這樣可能會讓系統遭到 DOS 攻擊，其檔案系統可能被填滿，從而佔滿記憶體空間，或擠掉合法的紀錄檔訊息

我們一般不會直接向其傳送訊息，而是通過 syslog 函數寫入紀錄檔！

syslog

守護行程記錄訊息可以使用 syslog 函數：

#include <syslog.h>

void syslog(int priority, // 優先順序
           const char *message, // 訊息
           ...)

引數解釋：

• priority：好理解，大多紀錄檔都有紀錄檔級別的功能
• facility：用於標識傳送程序型別（函數的參數列中沒有？因為這個要和 priority 用邏輯或使用）
• message：訊息內容，類似 printf，不同的是其增加了 %m 規範，用以輸出當前 errno 值對應的錯誤資訊

案例

syslog(LOG_INFO|LOG_LOCAL2, "rename(%s, %s): %m", file1, fil)

/etc/syslog.conf

kern.* 				/dev/debug					# 核心的所有訊息傳送到控制檯
local7.debug 	/var/log/cisco.log	# 來自 local7 的所有訊息新增到檔案 cisco.log 的尾部

一些細節

• 當 syslog 被應用程式首次呼叫時，它建立一個 Unix 域資料包通訊端，然後呼叫 connect 連線到由 syslogd 守護行程建立的 Unix 域資料包通訊端的眾所周知路徑名（如 /var/run/log ）這個通訊端一直保持開啟，直到程序終止
• 可以用 openlog 和 closelog 來操作上述步驟，在首次呼叫 syslog 前呼叫 openlog，不需要傳送紀錄檔時呼叫 closelog

openlog 和 closelog

#include <syslog.h>
void openlog(const char* ident, // 紀錄檔的字首，通常是程式名
             int options, 			// 可選值
             int facility);			// 設定預設的列印設施的值
void closelog(void);

options	說明
LOG_CONS	若無法傳送到 syslogd 則登記到控制檯
LOG_NDELAY	openlog 預設是懶漢載入，這個選項設定不延遲開啟，立刻建立通訊端
LOG_PERROR	既傳送到 syslogd 守護行程，又登記到標準錯誤輸出
LOG_PID	隨每個紀錄檔訊息等級程序 ID

inetd 守護行程

引入 inetd

原來的系統服務模型

Unix 上的很多服務，如 SSH、FTP、Telnet 等，我們都可以把它當作一個 Server 端

在系統啟動的過程中，這些程序從 /etc/rc 檔案中啟動，而且每個程序都執行幾乎相同的啟動任務：

1. 建立一個通訊端，繫結埠
2. 等待連線或資料包的到來
3. 派生子程序，子程序提供服務，父程序繼續監聽

這種方式的缺點

1. 所有這些守護行程含有幾乎相同的啟動程式碼
2. 每個守護行程在程序表中佔據一個表項，然而大多數時間他們處於睡眠狀態

inted 守護行程

為了解決這種問題，4.3BSD 提供一個因特網超級伺服器（即 inetd 守護行程）：

1. 通過由 inetd 處理普通守護行程的大部分啟動細節以簡化守護行程的編寫，這麼一來每個伺服器不再有呼叫 daemon_init 函數的必要
2. 單個程序（inetd）就能為多個服務等待外來的客戶請求，以取代每個伺服器一個程序的做法

inetd 組態檔

inetd 使用前文提到的方法把自己變成一個守護行程，然後讀取並處理自己的組態檔，通常在 /etc/inetd.conf ，該檔案包括如下內容：

欄位	說明
service-name	必須在 /etc/services 檔案中定義
socket-type	stream（TCP）、dgram（UDP）
protocol	必須在 /etc/protocols 檔案中定義：tcp或udp
wait-flag	對於 TCP 一般為 nowait，對於 UDP 一般為 wait
login-name	來自 /etc/passwd 的使用者名稱，一般為 root
server-program	呼叫 exec 指定的完整路徑名
server-program-arguments	呼叫 exec 指定的命令列引數

inetd 工作流程

其工作流程如下：

1. 讀入組態檔，為每個服務建立一個合適的通訊端

2. 為每個通訊端呼叫 bind，指定埠和通配地址

   埠號可以通過 getservbyname 獲取，用組態檔中的 service-name 和 protocal 欄位做引數

3. 對於每個 TCP 通訊端，呼叫 listen 以接受外來的連線請求，對於 UDP 則不執行

4. 建立完所有通訊端後，呼叫 select 等待其中任何一個通訊端變得可讀

對於 TCP：

1. 當 select 返回可讀後，如果該通訊端是一個 TCP 通訊端，而且其 wait-flag 為 nowait，則呼叫 accept 接受這個新連線
2. inetd 守護行程呼叫 fork 派生程序，並由子程序處理服務請求，與前面的並行伺服器類似，關閉相應的描述符
3. 子程序關閉除了要處理的通訊端描述符外的所有的描述符，並根據組態檔，切換到相應的使用者，用 exec 執行相應的操作

如果設定為 wait，對於 TCP 來說，父程序會用 FD_CLR 禁止這個通訊端，儲存子程序 ID，當子程序終止（SIGCHILD）後才繼續監聽

對於 UDP：

因為資料包伺服器只有一個通訊端，所以只能一個一個來處理，也就是說通過接受子程序終止的 SIGCHLD 訊號後才繼續監聽

因為假如 fork 後一個子程序，而父程序先於該子程序再次執行，則會由於還沒讀取資料而再次觸發 select 的事件，從而再次 fork 一個無用的子程序

xinetd

xinetd 提供與 inetd 一致的基本服務，不過還提供了數目眾多的其他特性，包括根據客戶的地址登記、接受或拒絕連線的選項等等

daemond_inetd

這個函數的唯一作用就是為錯誤處理常式設定 daemon_proc 標誌，使得執行資訊輸出在紀錄檔中

extern int daemon_proc; /* defined in error.c */

void daemon_inetd(const char* pname, int facility) {
    daemon_proc = 1; /* for our err_XXX() functions */
    openlog(pname, LOG_PID, facility);
}

修改後的伺服器程式碼：

int main(int argc, char** argv) {
    socklen_t len;
    struct sockaddr* cliaddr;
    char buff[MAXLINE];
    time_t ticks;

    daemon_inetd(argv[0], 0);

    cliaddr = Malloc(sizeof(struct sockaddr_storage));
    len = sizeof(struct sockaddr_storage);
    Getpeername(0, cliaddr, &len);
    err_msg("connection from %s", Sock_ntop(cliaddr, len));

    ticks = time(NULL);
    snprintf(buff, sizeof(buff), "%.24s\r\n", ctime(&ticks));
    Write(0, buff, strlen(buff));

    Close(0); /* close TCP connection */
    exit(0);
}

• 我們用描述符 0 指代被接受的 TCP 連線
• 因為這個程式針對每一個連線啟動一次，所以不需要無限迴圈

為了啟動這個程式，我們需要在 /etc/services 檔案中新增：

mydaytime			9999/tcp

在 /etc/inetd.conf 中新增：（在題主的電腦裡就只有 xinetd.conf 了）

mydaytime stream tcp nowait andy /foo/bar/daytimetcpsrv3 daytimetcpsrv3

然後給 inetd 傳送一個 SIGHUP 訊號，告知它重新讀取組態檔