进程间传递描述符一

进程间传递描述符一

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。顺便把 Linux 和 Windows 平台都讲讲。

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;
    socklen_t msg_namelen;
    struct iovec *msg_iov;
    size_t msg_iovlen;
    void *msg_control;
    size_t msg_controllen;
    int msg_flags;
};

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 {
     ptr_t iov_base; /* Starting address */
     size_t iov_len; /* Length in bytes */
};

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：

 

#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。

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;
    int cmsg_level;
    int cmsg_type;
    /* u_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：

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)));

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：

 

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

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：

  

struct msghdr msgh;
struct cmsghdr *cmsg;
for (cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msgh); cmsg != NULL;
    cmsg = CMSG_NXTHDR(&msgh,cmsg) {

 

函数 sendmsg 和 recvmsg
函数原型如下：

#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。