linux网络编程：进程间传递描述符

每个进程都拥有自己独立的进程空间，这使得描述符在进程之间的传递变得有点复杂，这个属于高级进程间通信的内容，下面就来说说。

Linux 下的描述符传递

Linux 系统系下，子进程会自动继承父进程已打开的描述符，实际应用中，可能父进程需要向子进程传递“后打开的描述符”，或者子进程需要向父进程传递；或者两个进程可能是无关的，显然这需要一套传递机制。

简单的说，首先需要在这两个进程之间建立一个 Unix 域套接字接口作为消息传递的通道（ Linux 系统上使用socketpair 函数可以很方面便的建立起传递通道），然后发送进程调用 sendmsg 向通道发送一个特殊的消息，内核将对这个消息做特殊处理，从而将打开的描述符传递到接收进程。

然后接收方调用 recvmsg 从通道接收消息，从而得到打开的描述符。然而实际操作起来并不像看起来那样单纯。

先来看几个注意点：

1 需要注意的是传递描述符并不是传递一个 int 型的描述符编号，而是在接收进程中创建一个新的描述符，并且在内核的文件表中，它与发送进程发送的描述符指向相同的项。

2 在进程之间可以传递任意类型的描述符，比如可以是 pipe ， open ， mkfifo 或 socket ， accept 等函数返回的描述符，而不限于套接字。

3 一个描述符在传递过程中（从调用 sendmsg 发送到调用 recvmsg 接收），内核会将其标记为“在飞行中”（in flight ）。在这段时间内，即使发送方试图关闭该描述符，内核仍会为接收进程保持打开状态。发送描述符会使其引用计数加 1 。

4 描述符是通过辅助数据发送的（结构体 msghdr 的 msg_control 成员），在发送和接收描述符时，总是发送至少 1 个字节的数据，即使这个数据没有任何实际意义。否则当接收返回 0 时，接收方将不能区分这意味着“没有数据”（但辅助数据可能有套接字）还是“文件结束符”。

5 具体实现时， msghdr 的 msg_control 缓冲区必须与 cmghdr 结构对齐，可以看到后面代码的实现使用了一个union 结构来保证这一点。

msghdr 和 cmsghdr 结构体

上面说过，描述符是通过结构体 msghdr 的 msg_control 成员送的，因此在继续向下进行之前，有必要了解一下msghdr 和 cmsghdr 结构体，先来看看 msghdr 。

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 */
           };

结构图：

结构成员可以分为下面的四组，这样看起来就清晰多了：

1 套接口地址成员 msg_name 与 msg_namelen ；

只有当通道是数据报套接口时才需要； msg_name 指向要发送或是接收信息的套接口地址。 msg_namelen 指明了这个套接口地址的长度。

msg_name 在调用 recvmsg 时指向接收地址，在调用 sendmsg 时指向目的地址。注意， msg_name 定义为一个 (void *) 数据类型，因此并不需要将套接口地址显示转换为 (struct sockaddr *) 。

2 I/O 向量引用 msg_iov 与 msg_iovlen

它是实际的数据缓冲区，从下面的代码能看到，我们的 1 个字节就交给了它；这个 msg_iovlen 是 msg_iov 的个数，不是什么长度。

msg_iov 成员指向一个 struct iovec 数组， iovc 结构体在 sys/uio.h 头文件定义，它没有什么特别的。

struct iovec {
               void  *iov_base;    /* Starting address */
               size_t iov_len;     /* Number of bytes to transfer */
           };

有了 iovec ，就可以使用 readv 和 writev 函数在一次函数调用中读取或是写入多个缓冲区，显然比多次 read ，write 更有效率。 readv 和 writev 的函数原型如下：

[cpp] view plain copy

#include <sys/uio.h>
int readv(int fd, const struct iovec *vector, int count);
int writev(int fd, const struct iovec *vector, int count);

3 附属数据缓冲区成员 msg_control 与 msg_controllen ，描述符就是通过它发送的，后面将会看到，msg_control 指向附属数据缓冲区，而 msg_controllen 指明了缓冲区大小。

结构如图：

4 接收信息标记位 msg_flags ；忽略

轮到 cmsghdr 结构了，附属信息可以包括若干个单独的附属数据对象。在每一个对象之前都有一个 struct cmsghdr 结构。头部之后是填充字节，然后是对象本身。最后，附属数据对象之后，下一个 cmsghdr 之前也许要有更多的填充字节。

struct cmsghdr {
           socklen_t cmsg_len;    /* data byte count, including header */
           int       cmsg_level;  /* originating protocol */
           int       cmsg_type;   /* protocol-specific type */
           /* followed by unsigned char cmsg_data[]; */
       };

cmsg_len 附属数据的字节数，这包含结构头的尺寸，这个值是由 CMSG_LEN() 宏计算的；

cmsg_level 表明了原始的协议级别 ( 例如， SOL_SOCKET) ；

cmsg_type 表明了控制信息类型 ( 例如， SCM_RIGHTS ，附属数据对象是文件描述符； SCM_CREDENTIALS，附属数据对象是一个包含证书信息的结构 ) ；

被注释的 cmsg_data 用来指明实际的附属数据的位置，帮助理解。

对于 cmsg_level 和 cmsg_type ，当下我们只关心 SOL_SOCKET 和 SCM_RIGHTS 。

msghdr 和 cmsghdr 辅助宏

这些结构还是挺复杂的， Linux 系统提供了一系列的宏来简化我们的工作，这些宏可以在不同的 UNIX 平台之间进行移植。这些宏是由 cmsg(3) 的 man 手册页描述的，先来认识一下：

#include <sys/socket.h>

struct cmsghdr *CMSG_FIRSTHDR(struct msghdr *msgh);

struct cmsghdr *CMSG_NXTHDR(struct msghdr *msgh, struct cmsghdr *cmsg);

size_t CMSG_ALIGN(size_t length);

size_t CMSG_SPACE(size_t length);

size_t CMSG_LEN(size_t length);

void *CMSG_DATA(struct cmsghdr *cmsg);

CMSG_LEN() 宏

输入参数：附属数据缓冲区中的对象大小；

计算 cmsghdr 头结构加上附属数据大小，包括必要的对其字段，这个值用来设置 cmsghdr 对象的 cmsg_len 成员。

CMSG_SPACE() 宏

输入参数：附属数据缓冲区中的对象大小；

计算 cmsghdr 头结构加上附属数据大小，并包括对其字段和可能的结尾填充字符，注意 CMSG_LEN() 值并不包括可能的结尾填充字符。 CMSG_SPACE() 宏对于确定所需的缓冲区尺寸是十分有用的。

注意如果在缓冲区中有多个附属数据，一定要同时添加多个 CMSG_SPACE() 宏调用来得到所需的总空间。

下面的例子反映了二者的区别：

[cpp] view plain copy

printf("CMSG_SPACE(sizeof(short))=%d/n", CMSG_SPACE(sizeof(short))); // 返回16
printf("CMSG_LEN(sizeof(short))=%d/n", CMSG_LEN(sizeof(short))); // 返回14

CMSG_DATA() 宏

输入参数：指向 cmsghdr 结构的指针 ;

返回跟随在头部以及填充字节之后的附属数据的第一个字节 ( 如果存在 ) 的地址，比如传递描述符时，代码将是如下的形式：

[cpp] view plain copy

struct cmsgptr *cmptr;
. . .
int fd = *(int *)CMSG_DATA(cmptr); // 发送：*(int *)CMSG_DATA(cmptr) = fd;

CMSG_FIRSTHDR() 宏

输入参数：指向 struct msghdr 结构的指针；

返回指向附属数据缓冲区内的第一个附属对象的 struct cmsghdr 指针。如果不存在附属数据对象则返回的指针值为 NULL 。

CMSG_NXTHDR() 宏

输入参数：指向 struct msghdr 结构的指针，指向当前 struct cmsghdr 的指针；

这个用于返回下一个附属数据对象的 struct cmsghdr 指针，如果没有下一个附属数据对象，这个宏就会返回NULL 。

通过这两个宏可以很容易遍历所有的附属数据，像下面的形式：

[cpp] view plain copy

struct msghdr msgh;
struct cmsghdr *cmsg;
for (cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msgh); cmsg != NULL;
cmsg = CMSG_NXTHDR(&msgh,cmsg) {
// 得到了cmmsg，就能通过CMSG_DATA()宏取得辅助数据了

函数 sendmsg 和 recvmsg

函数原型如下：

[cpp] view plain copy

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int sendmsg(int s, const struct msghdr *msg, unsigned int flags);
int recvmsg(int s, struct msghdr *msg, unsigned int flags);

二者的参数说明如下：

s，套接字通道，对于 sendmsg 是发送套接字，对于 recvmsg 则对应于接收套接字；

msg ，信息头结构指针；

flags ，可选的标记位，这与 send 或是 sendto 函数调用的标记相同。

函数的返回值为实际发送 / 接收的字节数。否则返回 -1 表明发生了错误。

具体参考 APUE 的高级 I/O 部分，介绍的很详细。

好了准备工作已经做完了，下面就准备进入正题。

发送、接收描述符

发送描述符

经过了前面的准备工作，是时候发送描述符了，先来看看函数原型：

int write_fd(int fd, void *ptr, int nbytes, int sendfd);

参数说明如下：

@fd ：发送 TCP 套接字接口；这个可以是使用socketpair返回的发送套接字接口

@ptr ：发送数据的缓冲区指针；

@nbytes ：发送的字节数；

@sendfd ：向接收进程发送的描述符；

函数返回值为写入的字节数， <0 说明发送失败；

废话少说，代码先上，发送描述符的代码相对简单一些，说明见代码内注释。

先说明一下，旧的 Unix 系统使用的是 msg_accrights 域来传递描述符，因此我们需要使用宏HAVE_MSGHDR_MSG_CONTROL 以期能同时支持这两种版本。

int write_fd(int fd, void *ptr, int nbytes, int sendfd)
{
    struct msghdr msg;
    struct iovec iov[1];
    // 有些系统使用的是旧的msg_accrights域来传递描述符，Linux下是新的msg_control字段
#ifdef HAVE_MSGHDR_MSG_CONTROL
    union{ // 前面说过，保证cmsghdr和msg_control的对齐
        struct cmsghdr cm;
        char control[CMSG_SPACE(sizeof(int))];
    }control_un;
    struct cmsghdr *cmptr; 
    // 设置辅助缓冲区和长度
    msg.msg_control = control_un.control; 
    msg.msg_controllen = sizeof(control_un.control);
    // 只需要一组附属数据就够了，直接通过CMSG_FIRSTHDR取得
    cmptr = CMSG_FIRSTHDR(&msg);
    // 设置必要的字段，数据和长度
    cmptr->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(int)); // fd类型是int，设置长度
    cmptr->cmsg_level = SOL_SOCKET; 
    cmptr->cmsg_type = SCM_RIGHTS;  // 指明发送的是描述符
    *((int*)CMSG_DATA(cmptr)) = sendfd; // 把fd写入辅助数据中
#else
    msg.msg_accrights = (caddr_t)&sendfd; // 这个旧的更方便啊
    msg.msg_accrightslen = sizeof(int);
#endif
    // UDP才需要，无视
    msg.msg_name = NULL;
    msg.msg_namelen = 0;
    // 别忘了设置数据缓冲区，实际上1个字节就够了
    iov[0].iov_base = ptr;
    iov[0].iov_len = nbytes;
    msg.msg_iov = iov;
    msg.msg_iovlen = 1;
    return sendmsg(fd, &msg, 0);
}&nbsp;

接收描述符

发送方准备好之后，接收方准备接收，函数原型为：

int read_fd(int fd, void *ptr, int nbytes, int *recvfd);

参数说明如下：

@fd ：接收 TCP 套接字接口；这个可以是使用 socketpair返回的接收套接字接口

@ptr ：接收数据的缓冲区指针；

@nbytes ：接收缓冲区大小；

@recvfd ：用来接收发送进程发送来的描述符；

函数返回值为读取的字节数， <0 说明读取失败；

接收函数代码如下，相比发送要复杂一些。

int read_fd(int fd, void *ptr, int nbytes, int *recvfd)
{
    struct msghdr msg;
    struct iovec iov[1];
    int n;
    int newfd;
#ifdef HAVE_MSGHDR_MSG_CONTROL
    union{ // 对齐
    struct cmsghdr cm;
    char control[CMSG_SPACE(sizeof(int))];
    }control_un;
    struct cmsghdr *cmptr;
    // 设置辅助数据缓冲区和长度
    msg.msg_control = control_un.control;
    msg.msg_controllen = sizeof(control_un.control);
#else
    msg.msg_accrights = (caddr_t) &newfd; // 这个简单
    msg.msg_accrightslen = sizeof(int);
#endif 
    
    // TCP无视
    msg.msg_name = NULL;
    msg.msg_namelen = 0;
    // 设置数据缓冲区
    iov[0].iov_base = ptr;
    iov[0].iov_len = nbytes;
    msg.msg_iov = iov;
    msg.msg_iovlen = 1;
    // 设置结束，准备接收
    if((n = recvmsg(fd, &msg, 0)) <= 0)
    {
        return n;
    }
#ifdef HAVE_MSGHDR_MSG_CONTROL
    // 检查是否收到了辅助数据，以及长度，回忆上一节的CMSG宏
    cmptr = CMSG_FIRSTHDR(&msg);
    if((cmptr != NULL) && (cmptr->cmsg_len == CMSG_LEN(sizeof(int))))
    {
    // 还是必要的检查
        if(cmptr->cmsg_level != SOL_SOCKET)
        {
            printf("control level != SOL_SOCKET/n");
            exit(-1);
        }
        if(cmptr->cmsg_type != SCM_RIGHTS)
        {
            printf("control type != SCM_RIGHTS/n");
            exit(-1);
        }
    // 好了，描述符在这
        *recvfd = *((int*)CMSG_DATA(cmptr));
    }
    else
    {
        if(cmptr == NULL) printf("null cmptr, fd not passed./n");
        else printf("message len[%d] if incorrect./n", cmptr->cmsg_len);
        *recvfd = -1; // descriptor was not passed
    }
#else
    if(msg.msg_accrightslen == sizeof(int)) *recvfd = newfd; 
    else *recvfd = -1;
#endif
    return n;
}

发送和接收函数就这么多，就像上面看到的，进程间传递套接字还是有点麻烦的。

posted @ 2013-07-21 11:05 mickole 阅读(1807) 评论(0) 收藏举报

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linux网络编程：进程间传递描述符

Linux 下的描述符传递

msghdr 和 cmsghdr 结构体

msghdr 和 cmsghdr 辅助宏

函数 sendmsg 和 recvmsg

发送描述符

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