1. Introduction

Daemon是一种运行在后台且不与任何controlling terminal绑定的进程. UNIX通常会在后台运行多个daemon, 用于执行administrative task. 由于缺少controlling terminal, daemon通常由system initialization script启动; 但如果daemon由shell prompt启动, 则需要与controll terminal解绑来避免job control, terminal session management和输出到terminal的信息.
以下是启动一个daemon的方法:

  1. 系统启动时, 可通过system initialization script启动daemon. 这些script通常放置在/etc或/etc/rc中. Daemon具有superuser权限.
  2. inetd作为superserver, 是系统启动时运行的一个daemon, 用于为其他service提供网络服务. inetd会一直监听网络请求(Telnet, FTP等), 收到请求后唤醒相应的server(Telnet server, FTP server等).
  3. cron作为一个系统启动时就开始运行的daemon, 用于在规定的时间运行特定程序, 被启动的程序也会以daemon的形式运行.
  4. Daemon可通过user terminal启动, 一般用于测试或重启daemon

由于daemon没有controlling terminal, 所以需要其他方法来输出信息. 可通过syslog()将信息发送给syslogd daemon, 实现信息输出.

2. syslogd Daemon

System administrator需要处理系统中不同service产生的不同message, 例如: FTP server接收到connection的通知信息, hardware failure的错误信息, DNS server回复的统计信息. 由于不同信息的优先级不同, 处理方式不同, 需要将各个信息传递到不同的地方. Syslogd daemon就是用于处理这些信息:

  1. Syslogd daemon会创建一个UNIX domain socket名为/dev/log, 监听port 514并接收service或其他host发来的信息.
  2. syslog.conf文件作为syslogd daemon的配置文件, 用于分类信息, 通常放置在/etc/syslog.conf. 接收到的日志信息通常重定向到以下地方:
    • system console
    • 特定user
    • log file
    • 其他host上的syslogd daemon
    • 直接抛弃.
  3. Syslog可以处理kernel传来的信息, 但不是直接写入/dev/log, 而是由其他daemon(klogd)处理

进程可通过创建UNIX domain datagram socket向syslogd所绑定的pathname发送信息, 也可调用syslog()发送信息. 一些新的系统中取消了UDP socket传递信息的方式, 因为可能导致系统遭受denial-of-service attack.

3. syslog Function

由于daemon没有controlling terminal, 所以fprintf()无法输出错误信息, 需调用syslog()输出log message:

#include <syslog.h>

/**
 * @brief send message to the system logger
 * @param priority: formed by `facility` and `level`
 * @param message: log message, %m will be replaced by errno
 */
void syslog(int priority, const char *message, ...);

当application调用syslog()时, 会创建一个UNIX domain datagram, 并向syslogd daemon创建的pathname发起connect(). 以下是log message的level value:

level value Description
LOG_EMERG 0 System is unusable (highest priority)
LOG_ALERT 1 Action must be taken immediately
LOG_CRIT 2 Critical conditions
LOG_ERR 3 Error conditions
LOG_WARNING 4 Warning conditions
LOG_NOTICE 5 Normal but significant condition
LOG_INFO 6 Informational
LOG_DEBUG 7 Debug-level messages (lowest priority)

以下是log message的facility value:

facility Description
LOG_AUTH Security / authorization messages
LOG_AUTHPRIV Security / authorization messages (private)
LOG_CRON cron daemon
LOG_DAEMON System daemons
LOG_FTP FTP daemon
LOG_KERN Kernel messages
LOG_LOCAL0 Local use
LOG_LOCAL1 Local use
LOG_LOCAL2 Local use
LOG_LOCAL3 Local use
LOG_LOCAL4 Local use
LOG_LOCAL5 Local use
LOG_LOCAL6 Local use
LOG_LOCAL7 Local use
LOG_LPR Line printer system
LOG_MAIL Mail system
LOG_NEWS Network news system
LOG_SYSLOG Messages generated internally by syslogd
LOG_USER Random user-level messages (default)
LOG_UUCP UUCP system 
#include <syslog.h>

/**
 * @brief open or reopen a connection to syslog in preparation 
 *        for submitting messages
 * @param ident: typically set to the program name
 * @param option: control the operation of openlog()
 * @param facility: specify what type of program is logging the 
 *        message
 */
void openlog(const char *ident, int option, int facility);

/**
 * @brief close the descriptor being used to write to the system
 *        logger
 */
void closelog(void);

以下是openlog()中所有option value:

options Description
LOG_CONS Log to console if cannot send to syslogd daemon
LOG_NDELAY Do not delay open, create socket now
LOG_PERROR Log to standard error as well as sending to syslogd daemon
LOG_PID Log the Process ID with each message

4. daemon_init Function

int daemon_init(const char *pname, int facility) {
  int i;
  pid_t pid;
  
  /* terminate the parent to disassociate from shell command */
  if ((pid = fork()) < 0) {
    fprintf(stderr, "fork error\n");
    return -1;
  } else if (pid) // parent
    _exit(0);

  /* child 1 is not a process group leader but gets own PID */
  if (setsid() < 0) { /* become the session leader of new session */
    fprintf(stderr, "setsid error\n");
    return -1;
  }

  /* ignore the SIGHUP signal to avoid all processes in the
   * session receive the signal when session leader terminates */
  signal(SIGHUP, SIG_IGN);

  /* child 2 won't be a session leader, so it cannot acquire
   * a controlling terminal */
  if ((pid = fork()) < 0) {
    return -1;
  } else if (pid)
    _exit(0);  // child 1 terminateds

  // daemon_proc = 1; // for err_xxx() functions
  chdir("/"); /* change working directory to the root directory */

  /* close all file descriptors */
  for (i = 0; i < MAXFD; i++) {
    close(i);
  }

  /* redirect stdin, stdout and stderr to /dev/null */
  open("/dev/null", O_RDONLY);
  open("/dev/null", O_WRONLY);
  open("/dev/null", O_RDWR);

  /* open a conection to syslog */
  openlog(pname, LOG_PID, facility);

  return 0;
}

5. inetd Daemon

UNIX系统中会有多个servers等待client发送请求, 例如: FTP, Rlogin, TFTP等. 4.3BSD之前, 每个server都会在系统启动时作为daemon进程运行, 收到client请求后调用fork()处理, 但这么做存在以下缺陷:

  1. 每个daemon存在大量重复代码, 如创建socket, 调用bind()绑定server port等
  2. 每个daemon占用process table的slot, 但绝大多数时间都处于睡眠状态

4.3BSD提出internet superserver: inetd daemon. 该daemon解决了两个问题:

  1. 省去每个server进程切换为daemon process的过程
  2. 省去每个server等待client请求, 只需要inetd一个进程等待即可

inetd的配置文件一般位于/etc/inetd.conf, 文件中每一行包含server的所有信息:

  • service-name: 必须出现在/etc/services中
  • socket-type: TCP或UDP
  • protocol: 必须出现在/etc/protocols中
  • wait-flag: TCP使用nowait, UDP使用wait
  • login-name: 必须出现在/etc/passwd中
  • server-program: exec执行所需的pathname
  • server-program-arguments: exec执行所需的arguments

以下是inetd.conf的一些例子:

ftp     stream  tcp  nowait  root  /usr/bin/ftpd     ftpd -1
telnet  stream  tcp  nowait  root  /usr/bin/telnetd  telnetd
login   stream  tcp  nowait  root  /usr/bin/rlogind  rlogind -s

以下是inetd执行的步骤:
Steps performed by inetd

  1. 启动时, 会读取/etc/inetd.conf文件信息, 并为所以service创建socket, 每个新建的socket会被添加到select()中.
  2. 对service-name和protocol调用getservbyname()可获取TCP和UDP port, 并调用bind()为socket绑定wildcard IP address个port number
  3. 对于TCP socket, 需要调用listen()接收client请求
  4. inetd大部分时间处于sleep状态, 只有socket处于readable状态时, select()才会接触阻塞
  5. select()返回后, inetd daemon会调用fork()生成child process来处理请求. child process会关闭除socket descriptor之外所有descriptor; 调用dup2()复制descriptor 0, 1, 2; 关闭socket descriptor, 这样开启的只有descriptor 0, 1, 2; 调用getpwnam()获取login username对应的password file entry; 若username不为root, 则调用setgid()和setuid(), 将child process的UID和GID改为0.
  6. 若为stream socket, 需要关闭socket. parent process再次调用select()等待socket可读.

假设inetd正在运行, 收到一个FTP client请求:
inetd descriptors when connection request arrives for TCP port 21

inetd收到请求后, 调用fork()创建新的进程, 并与所有listening socket断开:
inetd descriptors in child

之后child process开始复制descriptor 0, 1, 2, 并关闭connected socket:
inetd descriptors after dup2

最后child process调用exec执行真正的server程序, server可通过descriptor 0, 1, 2与client通信. 以上场景基于nowait, 意味着接收另一个service的connection之前, inetd不需要等待一段时间再终止child process. wait flag可改变parent process的执行步骤:

  1. 调用fork()返回后, parent process会保存child process的PID. 得知child process终止运行后, 运行waitpid()回收.
  2. parent process会使用FD_CLR讲child process所使用的socket从select()中移除, 直到child process停止运行.
  3. 当child process终止运行时, 其parent process会受到SIGCHLD signal, parent process可通过signal handler获取child process的PID, 并恢复select()对socket的监听.

之所以当datagram server存在连接时将socket从select()中移除, 就是为了防止inetd中select()不断检测socket的可读性: 对于TCP server, 当select()检测到socket可读时会让listening socket创建连接, 并通过connected socket处理请求; 但对于datagram socket, 由于不存在连接一说, 所以inetd调用fork()后的child process依旧使用原来的socket. 假设inetd没有关闭select()对socket可读性的监听, 且fork()执行后parent process首先执行, 则会再次检测到该socket可读, 并再次调用fork(). 为避免循环检测socket可读性, 必须在fork()前停止对socket可读性的监听; child process运行结束后向parent process发送SIGCHLD signal, 因此parent process会恢复select()对datagram socket的可读性监听.

6. daemon_inetd Function

#include <syslog.h>

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);
}

相对于daemon_init(), daemon_inetd()使用inetd将进程变为daemon, 并通过设置daemon_proc flag实现error message的输出.