进程间传递打开的文件描述符,并不是传递文件描述符的值。先说一下文件描述符。

文件描述符

对内核来说,所有打开的文件都会通过文件描述符引用,文件描述符在进程中是一个非负整数,文件描述符在进程中是从0开始,默认0与标准输入关联、1与标准输出关联、2与标准出错关联。之后进程每打开一个文件或者创建一个新文件的时候,内核都会向进程返回一个文件描述符来表示这个文件,文件描述符是递增的。文件描述符的值与文件没有必然的联系,只是该文件在进程中的一个标识,所以同一文件在不同进程中的文件描述符可能不一样,相同值得文件描述符在不同进程中可能标识不同得文件。文件描述符的取值范围是0~OPEN_MAX。

接下来要明白文件共享涉及的数据结构。

文件数据结构

内核使用三种数据结构来表示打开的文件:

  • 进程中有一个文件描述符表,每个文件描述符占用一项内容,文件描述符与指向对应文件表的指针相关联
  • 内核为进程中打开的文件维护一张文件表,包含文件的状态标志、偏移量、指向v节点的指针
  • 每个打开的文件都有一个v节点,包含了文件类型、对文件进行操作的函数指针、包括i节点

三者的关系如下:

共享文件

在进程间传递文件描述符是非常有用的,通过传递文件描述符,可以让其他进程拥有对文件操作的能力,在网络编程中体现比较多,比如nobody进程协助创建了数据连接,然后将socket的文件描述符传递给服务进程,由服务进程进行数据传输。

这是两个进程分别打开同一文件的情况:

这是进程共享文件描述符的状态·:

所以共享文件描述符就是将不同文件描述符指向一个文件表。这一点与fork产生的父子进程共享已打开的文件描述符是一样的。还要注意,一般文件在关闭文件描述符之后就关闭文件了,但是共享文件的情况不一样,共享文件要等到所有引用的文件描述符关闭之后才可关闭。

UNIX域socket实现传递文件描述符

可以通过UNIX域socket来传递文件描述符,实际是调用了socket中的sendmsg和recvmsg函数,利用sendmsg和recvmsg可以发送附属数据,附属数据可以是是文件描述符,两个函数的原型如下:

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags); struct msghdr {
void *msg_name; /* optional address */
socklen_t msg_namelen; /* size of address */
struct iovec *msg_iov; /* scatter/gather array */
size_t msg_iovlen; /* # elements in msg_iov */
void *msg_control; /* ancillary data, see below */
size_t msg_controllen; /* ancillary data buffer len */
int msg_flags; /* flags on received message */
};
//套接口地址成员msg_name与msg_namelen。
//I/O向量引用msg_iov与msg_iovlen。
//附属数据缓冲区成员msg_control与msg_controllen。
//接收信息标记位msg_flags。

其中,对于传递文件描述符有用的成员为:msg_control和msg_controllen,需要注意的是,如果想利用它传递辅助信息,比如文件描述符,必须携带至少一个字节的真实数据,也就是iov指针指向的缓冲区要有数据,iovlen至少是1。

  • msg_control:指向附属数据缓冲区
  • msg_controllen:msg_control所指向的这块缓冲的长度

传递附属数据cmsghdr的结构如下:

struct cmsghdr {
size_t cmsg_len; /* Data byte count, including header(type is socklen_t in POSIX) */
int cmsg_level; /* Originating protocol */
int cmsg_type; /* Protocol-specific type */
/* followed by
unsigned char cmsg_data[]; */
};

首先要明白什么是附属数据,recvmsg与sendmsg函数允许程序发送或是接收附属数据,这些额外的信息受限于一定的格式规则,也就是控制信息头与管理这些信息的宏。

  • cmsg_len 附属数据的字节计数,这包含结构头的尺寸。这个值是由CMSG_LEN()宏计算的。
  • cmsg_level 这个值表明了原始的协议级别(例如,SOL_SOCKET)。
  • cmsg_type 这个值表明了控制信息类型(例如,SCM_RIGHTS)。

为了发送文件描述符,将cmsghdr中的成员设置如下:

  • cmsg_len 设置为cmsghdr的结构长度加一个整型(文件描述符)的长度;
  • cmsg_level 设置为SOL_SOCKET
  • cmsg_type 设置为SCM_SCM_RIGHTS,用以表明我们在传送的内容是访问权,访问权仅能通过UNIX域socket传送

紧随cmsg_type 之后的存放内容,就是描述符。通过CMSG_DATA获取整型量的指针。

如何将文件描述符传递放在附属数据中发送呢?如下:

//附属数据的配置
p_cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msg); //返回附属数据部分的第一个cmsghdr
p_cmsg->cmsg_level = SOL_SOCKET;
p_cmsg->cmsg_type = SCM_RIGHTS;
p_cmsg->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(fd)); //返回附属数据长度
int *p_fds;
p_fds = (int *) CMSG_DATA(p_cmsg); //返回附属数据的净荷数据地址
*p_fds = fd; //设置待发送的文件描述符 将fd保存在净荷数据地址

这些宏定义的作用如下:

  • CMSG_FIRSTHDR(): 返回msghdr辅助数据部分指向第一个cmsghdr的指针
  • CMSG_NXTHDR(): 返回参数中cmsghdr的下一个有效cmsghdr。当msg_control buffer中没有足够剩余的空间的时候,返回NULL
  • CMSG_ALIGN(): 给定一个长度,其会返回对齐后相应的长度。它是一个常量表达式,其一般实现如下:
#define CMSG_ALIGN(len)  ( ((len)+sizeof(long)-1) & ~(sizeof(long)-1) )
  • CMSG_SPACE(): 返回辅助数据及其所传递的净荷数据的总长度。即sizeof(cmsg_len) + sizeof(cmsg_level) + sizeof(cmsg_type) + len(cmsg_data)长度进行CMSG_ALIGN后的值.
  • CMSG_DATA(): 返回cmsghdr的净荷数据部分
  • CMSG_LEN(): 返回净荷数据长度进行CMSG_ALIGN后的值,一般赋值给cmsghdr.cmsg_len。

为了创建辅助数据,首先初始化msghdr.msg_controllen字段。 在msghdr上使用CMSG_FIRSTHDR()来获取第一个控制消息,然后使用CMSG_NXTHDR()来获取后续的控制消息。在每一个控制消息中,使用CMSG_LEN()来初始化cmsghdr.cmsg_len,使用CMSG_DATA()来初始化cmsghdr.cmsg_data部分

参考:https://ivanzz1001.github.io/records/post/linux/2017/11/04/linux-msghdr

所以发送文件描述符的代码如下:

void send_fd(int sock_fd, int fd) {
int ret;
struct msghdr msg;
struct cmsghdr *p_cmsg; //附属数据 struct iovec vec;
msg.msg_name = NULL; //通过socketpair产生的socket通信 不需要知道ip地址
msg.msg_namelen = 0;
msg.msg_iov = &vec;
msg.msg_iovlen = 1;
msg.msg_flags = 0;
char sendchar = 0;//至少携带1Byte真实数据
vec.iov_base = &sendchar;
vec.iov_len = sizeof(sendchar); char cmsgbuf[CMSG_SPACE(sizeof(fd))]; //附属数据缓冲区大小
msg.msg_control = cmsgbuf; //指向附属数据
msg.msg_controllen = sizeof(cmsgbuf); //附属数据的配置
p_cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msg); //返回附属数据部分的第一个cmsghdr
p_cmsg->cmsg_level = SOL_SOCKET;
p_cmsg->cmsg_type = SCM_RIGHTS;
p_cmsg->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(fd)); //返回附属数据长度
int *p_fds;
p_fds = (int *) CMSG_DATA(p_cmsg); //返回附属数据的净荷数据地址
*p_fds = fd; //设置待发送的文件描述符 将fd保存在净荷数据地址 ret = sendmsg(sock_fd, &msg, 0); //发送描述符
if (ret != 1)
ERR_EXIT("sendmsg");
}

在接收文件描述符的时候:

int recv_fd(const int sock_fd) {
int ret;
struct msghdr msg;
struct iovec vec;
int recv_fd; char recvchar;
vec.iov_base = &recvchar;
vec.iov_len = sizeof(recvchar);
msg.msg_name = NULL;
msg.msg_namelen = 0;
msg.msg_iov = &vec;
msg.msg_iovlen = 1;
char cmsgbuf[CMSG_SPACE(sizeof(recv_fd))];
msg.msg_control = cmsgbuf;
msg.msg_controllen = sizeof(cmsgbuf);
msg.msg_flags = 0; int *p_fd;
p_fd = (int *) CMSG_DATA(CMSG_FIRSTHDR(&msg));
*p_fd = -1; //先将文件描述符设置为-1 后面判断是否接收到 ret = recvmsg(sock_fd, &msg, 0); //接收文件描述符
if (ret != 1)
ERR_EXIT("recvmsg"); struct cmsghdr *p_cmsg;
p_cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msg); //返回附属数据部分的第一个cmsghdr
if (p_cmsg == NULL)
ERR_EXIT("no passed fd");
p_fd = (int *) CMSG_DATA(p_cmsg); //取出第一个cmsghdr中的内容 即传递的文件描述符
recv_fd = *p_fd;
if (recv_fd == -1)
ERR_EXIT("no passed fd"); return recv_fd;
}

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