PHP實現守護進程daemon

daemon簡介

daemon(守護進程)是一個在后臺運行并且不受任何終端控制的進程。Unix操作系統有很多典型的守護進程(其數目根據需要或20—50不等)，它們在后臺運行，執行不同的管理任務。

用戶使守護進程獨立于所有終端是因為，在守護進程從一個終端啟動的情況下，這同一個終端可能被其他的用戶使用。例如，用戶從一個終端啟動守護進程后退出，然后另外一個人也登錄到這個終端。用戶不希望后者在使用該終端的過程中，接收到守護進程的任何錯誤信息。同樣，由終端鍵入的任何信號(例如中斷信號)也不應該影響先前在該終端啟動的任何守護進程的運行。雖然讓服務器后臺運行很容易(只要shell命令行以&結尾即可)，但用戶還應該做些工作，讓程序本身能夠自動進入后臺，且不依賴于任何終端。

守護進程也成精靈進程（ daemon ）是生存周期較長的一種進程。它們常常在系統自舉時啟動，僅在系統關閉時才終止，因為他們沒有控制終端，所以說他們是在后臺運行的。

這里注意到，daemon有如下特征：

• 沒有終端
• 后臺運行
• 父進程 pid 為1

想要查看運行中的守護進程可以通過 ps -ax 或者 ps -ef 查看，其中 -x 表示會列出沒有控制終端的進程。

PHP實現守護進程可以通過 pcntl 與 posix 擴展實現。

編程中需要注意的地方有：

• 通過二次 pcntl_fork() 以及 posix_setsid 讓主進程脫離終端
• 通過 pcntl_signal() 忽略或者處理 SIGHUP 信號
• 多進程程序需要通過二次 pcntl_fork() 或者 pcntl_signal() 忽略 SIGCHLD 信號防止子進程變成 Zombie 進程
• 通過 umask() 設定文件權限掩碼，防止繼承文件權限而來的權限影響功能
• 將運行進程的 STDIN/STDOUT/STDERR 重定向到 /dev/null 或者其他流上

如果要做的更好，還需要注意：

• 如果通過 root 啟動，運行時更換到低權限用戶身份
• 及時 chdir() 防止操作錯誤路徑
• 多進程程序考慮定時重啟，防止內存泄露

實現關注點

二次 fork 與 setsid

fork 系統調用

fork 系統調用用于復制一個與父進程幾乎完全相同的進程，新生成的子進程不同的地方在于與父進程有著不同的 pid 以及有不同的內存空間，根據代碼邏輯實現，父子進程可以完成一樣的工作，也可以不同。子進程會從父進程中繼承比如文件描述符一類的資源。

PHP 中的 pcntl 擴展中實現了 pcntl_fork() 函數，用于在 PHP 中 fork 新的進程。

setsid 系統調用

setsid 系統調用則用于創建一個新的會話并設定進程組 id。

這里有幾個概念：會話，進程組。

在 Linux 中，用戶登錄產生一個會話（Session），一個會話中包含一個或者多個進程組，一個進程組又包含多個進程。每個進程組有一個組長（Session Leader），它的 pid 就是進程組的組 id。進程組長一旦打開一個終端，這一個終端就被稱為控制終端。一旦控制終端發生異常（斷開、硬件錯誤等），會發出信號到進程組組長。

后臺運行程序（如 shell 中以&結尾執行指令）在終端關閉之后也會被殺死，就是沒有處理好控制終端斷開時發出的SIGHUP信號，而SIGHUP信號對于進程的默認行為則是退出進程。

調用 setsid 系統調用之后，會讓當前的進程新建一個進程組，如果在當前進程中不打開終端的話，那么這一個進程組就不會存在控制終端，也就不會出現因為關閉終端而殺死進程的問題。

PHP 中的 posix 擴展中實現了 posix_setsid() 函數，用于在 PHP 中設定新的進程組。

孤兒進程

父進程比子進程先退出，子進程就會變成孤兒進程。

init 進程會收養孤兒進程，即孤兒進程的 ppid 變為 1。

二次 fork 的作用

首先，setsid 系統調用不能由進程組組長調用，會返回-1。

二次 fork 操作的樣例代碼如下：

$pid1 = pcntl_fork();

if ($pid1 > 0) {
    exit(0);
} else if ($pid1 < 0) {
    exit("Failed to fork 1\n");
}

if (-1 == posix_setsid()) {
    exit("Failed to setsid\n");
}

$pid2 = pcntl_fork();

if ($pid2 > 0) {
    exit(0);
} else if ($pid2 < 0) {
    exit("Failed to fork 2\n");
}

假定我們在終端中執行應用程序，進程為 a，第一次 fork 會生成子進程 b，如果 fork 成功，父進程 a 退出。b 作為孤兒進程，被 init 進程托管。

此時，進程 b 處于進程組 a 中，進程 b 調用 posix_setsid 要求生成新的進程組，調用成功后當前進程組變為 b。

此時進程 b 事實上已經脫離任何的控制終端，例程：

<?php

cli_set_process_title('process_a');

$pidA = pcntl_fork();

if ($pidA > 0) {
    exit(0);
} else if ($pidA < 0) {
    exit(1);
}

cli_set_process_title('process_b');

if (-1 === posix_setsid()) {
    exit(2);
}

while(true) {
    sleep(1);
}

執行程序之后：

?  ~ php56 2fork1.php
?  ~ ps ax | grep -v grep | grep -E 'process_|PID'
  PID TTY      STAT   TIME COMMAND
28203 ?        Ss     0:00 process_b

從 ps 的結果來看，process_b 的 TTY 已經變成了 ？，即沒有對應的控制終端。

代碼走到這里，似乎已經完成了功能，關閉終端之后 process_b 也沒有被殺死，但是為什么還要進行第二次 fork 操作呢？

StackOverflow 上的一個回答寫的很好：

The second fork(2) is there to ensure that the new process is not a session leader, so it won’t be able to (accidentally) allocate a controlling terminal, since daemons are not supposed to ever have a controlling terminal.

這是為了防止實際的工作的進程主動關聯或者意外關聯控制終端，再次 fork 之后生成的新進程由于不是進程組組長，是不能申請關聯控制終端的。

綜上，二次 fork 與 setsid 的作用是生成新的進程組，防止工作進程關聯控制終端。

SIGHUP 信號處理

一個進程收到 SIGHUP 信號的默認動作是結束進程。

而 SIGHUP 會在如下情況下發出：

• 控制終端斷開，SIGHUP 發送到進程組組長
• 進程組組長退出，SIGHUP 會發送到進程組中的前臺進程
• SIGHUP 常被用于通知進程重載配置文件（APUE 中提及，daemon 由于沒有控制終端，被認為不可能會收到這一個信號，所以選擇復用）

由于實際的工作進程不在前臺進程組中，而且進程組的組長已經退出并且沒有控制終端，不處理正常情況下當然也沒有問題，然而為了防止偶然的收到 SIGHUP 導致進程退出，也為了遵循守護進程程序設計的慣例，還是應當處理這一信號。

Zombie 進程處理

何為 Zombie 進程

簡單來說，子進程先于父進程退出，父進程沒有調用 wait 系統調用處理，進程變為 Zombie 進程。

子進程先于父進程退出時，會向父進程發送 SIGCHLD 信號，如果父進程沒有處理，子進程也會變為 Zombie 進程。

Zombie 進程會占用可 fork 的進程數，Zombie 進程過多會導致無法 fork 新的進程。

此外，Linux 系統中 ppid 為 init 進程的進程，變為 Zombie 后會由 init 進程回收管理。

Zombie 進程的處理

從 Zombie 進程的特點，對于多進程的daemon，可以通過兩個途徑解決這一問題：

• 父進程處理 SIGCHLD 信號
• 讓子進程被 init 接管

父進程處理信號無需多說，注冊信號處理回調函數，調用回收方法即可。

對于讓子進程被 init 接管，則可以通過2次 fork 的方法，讓第一次 fork 出的子進程 a 再 fork 出實際的工作進程 b，讓 a 先行退出，使得 b 成為孤兒進程，這樣就能被 init 進程托管了。

umask

umask 會從父進程中繼承，影響創建文件的權限。

PHP 手冊上提到：

umask() 將 PHP 的 umask 設定為 mask & 0777 并返回原來的 umask。當 PHP 被作為服務器模塊使用時，在每個請求結束后 umask 會被恢復。

如果父進程的 umask 沒有設定好，那么在執行一些文件操作時，會出現意想不到的效果：

?  ~ cat test_umask.php
<?php
        chdir('/tmp');
        umask(0066);
        mkdir('test_umask', 0777);
?  ~ php test_umask.php
?  ~ ll /tmp | grep umask
drwx--x--x 2 root root 4.0K 8月  22 17:35 test_umask

所以，為了保證每一次都能按照預期的權限操作文件，需要置0 umask 值。

重定向0/1/2

這里的0/1/2分別指的是 STDIN/STDOUT/STDERR，即標準輸入/輸出/錯誤三個流。

樣例

首先來看一個樣例：

<?php

// not_redirect_std_stream_daemon.php

$pid1 = pcntl_fork();

if ($pid1 > 0) {
    exit(0);
} else if ($pid1 < 0) {
    exit("Failed to fork 1\n");
}

if (-1 == posix_setsid()) {
    exit("Failed to setsid\n");
}

$pid2 = pcntl_fork();

if ($pid2 > 0) {
    exit(0);
} else if ($pid2 < 0) {
    exit("Failed to fork 2\n");
}

umask(0);
declare(ticks = 1);
pcntl_signal(SIGHUP, SIG_IGN);

echo getmypid() . "\n";

while(true) {
    echo time() . "\n";
    sleep(10);
}

上述代碼幾乎完成了文章最開始部分提及的各個方面，唯一不同的是沒有對標準流做處理。通過 php not_redirect_std_stream_daemon.php 指令也能讓程序在后臺進行。

在 sleep 的間隙，關閉終端，會發現進程退出。

通過 strace 觀察系統調用的情況：

?  ~ strace -p 6723
Process 6723 attached - interrupt to quit
restart_syscall(<... resuming interrupted call ...>) = 0
write(1, "1503417004\n", 11)            = 11
rt_sigprocmask(SIG_BLOCK, [CHLD], [], 8) = 0
rt_sigaction(SIGCHLD, NULL, {SIG_DFL, [], 0}, 8) = 0
rt_sigprocmask(SIG_SETMASK, [], NULL, 8) = 0
nanosleep({10, 0}, 0x7fff71a30ec0)      = 0
write(1, "1503417014\n", 11)            = -1 EIO (Input/output error)
close(2)                                = 0
close(1)                                = 0
munmap(0x7f35abf59000, 4096)            = 0
close(0)                                = 0

發現發生了 EIO 錯誤，導致進程退出。

原因很簡單，即我們編寫的 daemon 程序使用了當時啟動時終端提供的標準流，當終端關閉時，標準流變得不可讀不可寫，一旦嘗試讀寫，會導致進程退出。

解決方案

APUE 樣例

APUE 13.3中提到過一條編程規則（第6條）：

某些守護進程打開 /dev/null 時期具有文件描述符0、1和2，這樣，任何一個視圖讀標準輸入、寫標準輸出或者標準錯誤的庫例程都不會產生任何效果。因為守護進程并不與終端設備相關聯，所以不能在終端設備上顯示器輸出，也無從從交互式用戶那里接受輸入。及時守護進程是從交互式會話啟動的，但因為守護進程是在后臺運行的，所以登錄會話的終止并不影響守護進程。如果其他用戶在同一終端設備上登錄，我們也不會在該終端上見到守護進程的輸出，用戶也不可期望他們在終端上的輸入會由守護進程讀取。

簡單來說：

• daemon 不應使用標準流
• 0/1/2 要設定成 /dev/null

例程中使用：

for (i = 0; i < rl.rlim_max; i++)
	close(i);

fd0 = open("/dev/null", O_RDWR);
fd1 = dup(0);
fd2 = dup(0);

實現了這一個功能。dup() （參考手冊）系統調用會復制輸入參數中的文件描述符，并復制到最小的未分配文件描述符上。所以上述例程可以理解為：

關閉所有可以打開的文件描述符，包括標準輸入輸出錯誤；
打開/dev/null并賦值給變量fd0，因為標準輸入已經關閉了，所以/dev/null會綁定到0，即標準輸入；
因為最小未分配文件描述符為1，復制文件描述符0到文件描述符1，即標準輸出也綁定到/dev/null；
因為最小未分配文件描述符為2，復制文件描述符0到文件描述符2，即標準錯誤也綁定到/dev/null；

開源項目實現：Workerman

Workerman 中的 Worker.php 中的 resetStd() 方法實現了類似的操作。

/**
* Redirect standard input and output.
*
* @throws Exception
*/
public static function resetStd()
{
   if (!self::$daemonize) {
       return;
   }
   global $STDOUT, $STDERR;
   $handle = fopen(self::$stdoutFile, "a");
   if ($handle) {
       unset($handle);
       @fclose(STDOUT);
       @fclose(STDERR);
       $STDOUT = fopen(self::$stdoutFile, "a");
       $STDERR = fopen(self::$stdoutFile, "a");
   } else {
       throw new Exception('can not open stdoutFile ' . self::$stdoutFile);
   }
}

Workerman 中如此實現，可能與 PHP 的 GC 機制有關，對于 fd 0 1 2來說，PHP 會維持對這三個資源的引用計數，在直接 fclose 之后，會使得這幾個 fd 對應的資源類型的變量引用計數為0，導致觸發回收。所需要做的就是將這些變量變為全局變量，保證引用的存在。