（Linux与计算机网络）应用层协议基础、守护进程化

应用层协议制定

我们知道，协议就是双方约定好的结构化数据，即结构体。而协议制定就是在制定通信双方都能认识的、符合需求的结构化数据。

一般不会直接将结构体直接发送，一是因为不同主机结构体的内存对齐方案可能不同，二是客户端和服务器端使用的语言可能不同，二者都有可能导致接收方将数据错误读取。

发送方应将结构化对象的内容整理合并成一个字符串，这个过程叫做序列化 ，接收方则将该字符串按照特定的格式转换成结构化对象，该过程则称为反序列化。这样做的优点是不管结构体如何变化，通过网络发送的数据都是一串字符串，实现解耦。

序列化和反序列化的操作可以用C++的Json，它来自第三方库jsoncpp ，编译时需要用-l指定。头文件是 jsoncpp/json/json.h，可能需要另外安装

bash 复制代码

# 安装开发库（包含头文件和动态库）
sudo apt-get update
sudo apt-get install libjsoncpp-dev

# 如果需要命令行工具
sudo apt-get install jsoncpp

大致使用方式如下图

具体序列化方式如下，Request就是要转化为字符串的结构化数据，我们将序列化写成它的成员函数。

cpp 复制代码

#include <string>
#include <memory>
#include <sstream>
#include <jsoncpp/json/json.h>

class Request
{ 
public:
    Request(int x, int y, char oper) : _x(x),_y(y),_oper(oper)
    {}

    // 序列化，将结果存放在buf中
    bool Serialization(std::string &buf)
    {
        // 构建映射关系
        Json::Value temp;
        temp["x"] = _x;
        temp["y"] = _y;
        temp["oper"] = _oper;

        // 生成字符串
        Json::StreamWriterBuilder swb; // 用于创建writer，由writer生成字符串
        std::unique_ptr<Json::StreamWriter> writer(swb.newStreamWriter());
        std::stringstream ss;
        try
        {
            writer->write(temp, &ss);
        }
        catch (std::exception &e)
        {
            return false;
        }
        buf = ss.str();
        return true;
    }

private:
    int _x;
    int _y;
    char _oper;
};

以_x=1, _y=2, oper='+' 为例，序列化后生成的字符串就是下面这样

bash 复制代码

{"oper":"+","x":1,"y":2}

反序列化如下

cpp 复制代码

#include <string>
#include <memory>
#include <sstream>
#include <jsoncpp/json/json.h>

class Request
{ 
public:
    Request(int x, int y, char oper) : _x(x),_y(y),_oper(oper)
    {}

    // 反序列化，结果保存在对象内部
    bool Deserialization(std::string mes)
    {
        Json::Value temp;
        Json::Reader reader; // writer的同事，负责从大字符串中提取映射关系

        if (!reader.parse(mes, temp))//转化为映射关系，存放到Value类型的temp中
        {
            return false;
        }

        // 检查字段是否存在
        if (!temp.isMember("x") || !temp.isMember("y") || !temp.isMember("oper"))
        {
            return false;
        }

        _x = temp["x"].asInt();    //通过temp中的映射提取对应的值
        _y = temp["y"].asInt();
        _oper = temp["oper"].asInt(); // 不支持转化为char类型
        return true;
    }

private:
    int _x;
    int _y;
    char _oper;
};

在操作系统内核中有网络通信用的缓冲区，如下图。 TCP通信能实现全双工正是因为通信双方共有两对接收和发送缓冲区，发送和接收不会相互干扰。

在使用TCP协议时，我们调用的send和recv本质就是拷贝操作，使用send时就是将要发送的内容拷贝到缓冲区中，相应的，调用recv则是从缓冲区中拷贝到程序地址空间。

真正向网络发送数据的是操作系统。什么时候发送、发多少由操作系统根据TCP协议自主决定。而TCP协议是面向字节流的，会将应用层交付的数据统一视为一连串的字节序列。数据输入到缓冲区时，TCP协议不会特地确定数据的边界，这次写入的可能会和上一次写入的数据连在一起。发送时也不会进行划分，所以可能将多组小数据合并发送，也可能将大数据拆分发送。因此，接收方在读取时可能出现一次只读到部分数据（数据不完整 ），或一次读到多组数据（粘包）的现象。

因此，我们在制定应用层协议时，除了设计结构体，提供序列化和反序列化的接口，还需要解决使用TCP协议读取数据的问题。解决办法是为数据序列化后的字符串添加边界，如\r\n，并提供通过边界确定并提取数据的接口。还可以在开头处加上有效字符的长度，方便确定数据是否完整。如下。

bash 复制代码

24\r\n{"oper":"+","x":1,"y":2}\r\n

进程组与会话

进程组是一个或者多个进程的集合，一个进程组可以包含多个进程。每一个进程组也有一个唯一的进程组ID (PGID)。单个进程则自己成为进程组。

任务也叫作业，就是某种工作，需要进程来完成。进程是以进程组的形式完成对应的任务的。我们平时使用 | 、&等符号将多条指令组合成一条命令时，本质就是布置了一个任务，会由一个进程组完成，任务中不同部分的指令由进程组内不同的进程完成。

每一个进程组都有一个组长进程。进程组的PGID等于组长进程的PID 。例如下图，为了执行这条命令，bash创建了一个进程组，该进程组包括 ps 和 cat 两个进程。ps进程就是组长进程。

进程组组长可以创建该组中的进程或者创建一个新的进程组。进程组的生命周期，从进程组创建开始到其中最后一个进程离开为止。只要进程组中有一个进程存在，则该进程组就存在，这与其组长进程是否已经终止无关。

会话可以看成是一个或多个进程组的集合，一个会话可以包含多个进程组。每一个会话也有一个会话 ID(SID)。进程组一定会属于某一个会话，不能单独存在。

用户登录成功时，操作系统会为用户创建一个会话，其内部有一个进程组，就是bash。系统会将该会话的ID设置为bash进程的 PID。

前台进程组与后台进程组

在每一个会话内部都有两种进程组，前台进程组和后台进程组，键盘产生的信号只能发给前台进程组。当我们使用 ./[文件名] 直接运行程序时，默认会在前台运行，可以从标准输入中获取内容，即获取键盘输入的内容，这种进程被称为前台进程组 。相应的，使用 ./[文件名] & 可以创建后台进程组 **，**它在后台运行，无法从标准输入中获取内容。

前台进程组只能有一个，这是因为每个会话只有一个标准输入，也可简单理解为只有一个键盘，只能向一个进程组中输入数据。而后台进程组则可以有多个。解析命令的bash就是前台进程，当我们输入命令后创建前台进程后，bash就会被操作系统换到后台。另外，当前台进程运行时，按下Ctrl Z会暂停前台进程，此时该进程会被操作系统换到后台，将bash换回前台，否则用户就无法操作了。

使用命令jobs可以查看当前的进程组

方框中的数字即为任务号，使用命令fg [任务号] 即可将对应的后台任务（进程组）换至前台。相应的，使用命令bg [任务号] 可以将对应的前台进程换至后台。

守护进程化

守护进程化有现成的接口daemon，第一个参数为0时会将进程的工作路径改到根目录下，第二个为0则会将标准IO和错误重定向到null。下面我们了解一下大致的过程。

我们写的服务器端程序也是会话里的一个任务，我们关闭终端时就会关闭会话，此时会话中的任务一般会被关闭。但服务器端的程序不应该受到任何用户登录和注销的影响。因此，需要进行守护进程化。

首先调用setsid 让服务器程序拥有独立的会话。调用setsid的进程会进入新会话，脱离终端控制，此时只能通过kill命令对其发送信号进行控制。新会话的ID就是该进程的PID。调用setseid的进程不能是进程组的组长，否则会失败。为了避免这种情况，通常是调用fork然后父进程直接退出，让子进程去调用setsid、继续执行。因为子进程一定不是组长。

其次，还需要需要忽略一些可能影响到服务器进程的信号，如管道的读端关闭，写端会被信号终止。这个使用signal接口即可（下图底行），第一个参数选择要忽略的信号，第二个参数选择SIG_IGN。

接着，要让服务器进程完全脱离终端，除了不能从键盘获取输入，也不应向显示器输出。为此，可以将文件描述符直接关闭，但更推荐的做法是用dup2将标准IO、标准错误重定向到 /dev/null文件里，这个文件相当于回收站，向其输出的所有内容都会被丢弃，读取时立即返回EOF，什么都读不到。

dup2会让newfd去指向oldfd指向的文件，然后把原来newfd指向的文件关闭。所以只需打开/dev/null，然后向newfd传入标准IO或标准错误的文件描述符，oldfd传入null的文件描述符即可。

最后，要将工作路径改到根目录下，因为服务器进程要一直运行，会一直占用工作路径所在的文件系统，阻碍文件系统的卸载。示例代码如下。

cpp 复制代码

void Daemonize()
{
    //转为子进程
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid > 0)
        exit(0); // 父进程退出

    // 进入新会话
    if (setsid() < 0)
        exit(1);

    // 重定向标准文件描述符
    int null_fd = open("/dev/null", O_RDWR);
    dup2(null_fd, STDIN_FILENO);
    dup2(null_fd, STDOUT_FILENO);
    dup2(null_fd, STDERR_FILENO);

    // 改变工作目录
    chdir("/");
}