APUE读书笔记-17高级进程通信-04传递文件描述符号（1）

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4、传递文件描述符号（1）
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 在进程之间传递打开的文件描述符号这个功能非常强大。它可以使得客户服务程序具有不同的设计方案。它允许一个进程（一般这个进程都是服务进程）去做打开一个文件的所有工作（包括将网络名称转换为网络地址，向modem拨号，协商文件锁，等等），然后简单地向调用进程传递回去一个文件描述符号，这个文件符号可以用于输入输出函数。所有打开文件的细节工作在客户进程端来看都是被隐藏了的。
 我们必须对“传递一个打开的文件描述符号”这个词语非常了解。在最开始的时候，我们展示过两个进程打开同样一个文件的情况，尽管这两个进程共享同样的v-node，但是每一个进程有它自己的文件表项。
 当我们在进程之间传递打开的文件描述符号的时候，我们想要两个进程之间共享同一个文件表项，如下图所示：

                 从上面的进程打开的文件传递到底下的进程

   +-process table entry--+
   |     fd     file      |
   |    +flags+-pointer-+ |
   |fd0 |-----|---------| |
   |fd1 |-----|---------| |   ---->+file table---------+
   |fd2 |-----|---------| |  /  -->| file status flags |
   |fd3 |-----|---------|----  /   +-------------------+
   |    |    ......     | |   /    | current offset    |
   |    +---------------+ |   |    +-------------------+
   |                      |   |    | v-node pointer    |------> +-v-node table---+
   +----------------------+   |    +-------------------+        |    v-node      |
                              |                                 |   information  |
                              |                                 +----------------+
   +-process table entry--+   |                                 |    i-node      |
   |     fd     file      |   |                                 |   information  |
   |    +flags+-pointer-+ |  /                                  +_.............._+
   |fd0 |-----|---------| | /                                   |    current     |
   |fd1 |-----|---------| |/                                    |   file size    |
   |fd2 |-----|---------| /                                     +----------------+
   |fd3 |-----|---------|/|
   |fd4 |-----|---------| |
   |    |    ......     | |
   |    +---------------+ |
   |                      |
   |                      |
   +----------------------+

 从技术来看，我们将一个指向文件表的指针从一个进程传递给另外一个进程。这个指针被分配给接收进程的第一个可用的文件描述符号。（也就是说，我们传递一个打开的文件描述符号，但是文件描述符号的号码在两个进程中并不一定一样，上图就是一个很明显的例子）两个进程共享一个打开的文件表实际就是调用fork的时候发生的事情(可以参见前面讲述fork时候一个描述fork之后父子之间共享打开文件的图)。
 当一个文件描述符号从一个进程被传递到另外一个进程的时候，发送进程在传递完了文件描述符号之后会关闭掉文件描述符号。发送进程关闭文件描述符号并不会真的关闭掉文件或者设备，因为文件描述符号对于接收进程来说仍然是打开的（即便接受进程没有特地接收文件描述符号）。
 我们定义如下的三个函数来发送和接收文件描述符号，在本节的后面，我们将会展示对于流和套接字的这三个函数的代码。
 #include "apue.h"
 int send_fd(int fd, int fd_to_send);
 int send_err(int fd, int status, const char *errmsg);
 两者返回：如果成功返回0，如果错误返回1。

 int recv_fd(int fd, ssize_t (*userfunc)(int, const void *, size_t));
 返回：如果成功返回文件描述符号，如果错误返回负数。

 如果进程（通常是服务进程）想要发送文件描述符号给另外一个进程，那么调用send_fd或者send_err。进程（通常客户进程）如果等待接收文件描述符号则调用recv_fd。
 函数send_fd通过fd代表的unix域的套接字或者stream pipe来发送文件描述符号"fd_to_send"。
 我们将要使用s-pipe来引用双向的通信通道，这个通道可以采用streams pipe或者unix域套接字实现。
 send_err函数使用fd发送errmsg，并且fd后面接着的status状态值必须在范围1到255之间。
 客户进程调用recv_fd来接收一个文件描述符号。如果所有的过程成功（发送者调用send_fd），那么会返回一个非负数的文件描述符号作为函数的返回值。否则，返回值表示send_err发出的状态(在1到-255区间之间的负数)。另外，如果服务进程发送一个错误的消息，那么客户进程的userfunc函数将会被调用来处理这个消息。userfunc函数的第一个参数是STDERR_FILENO，后面接着的是指向错误消息的指针以及它的长度。userfunc函数的返回值就是写入的字节数目或者表示错误时候的负数。一般来说客户进程会指定一个常用的write函数作为userfunc。
 我们自己实现了一个这三个函数所使用的协议：为了发送一个文件描述符号，send_fd发送两个字节的0，后面接着实际的文件描述符号。为了发送一个错误，send_err发送错误消息errmsg，后面接着一个字节的0，然后是状态字节的绝对值（从1到255）。函数recv_fd读取s-pipe上面的所有内容直到它遇到一个null字节，任何此刻读取到的字符都会被传递到调用者的userfunc中。recv_fd的下一个字节就是状态字节，如果状态字节是0，那么会传递一个文件描述符号；否则不会接收到文件描述符号（因为基于前面send_fd的协议，如果发送文件描述符号，那么开始0实际就是null，所以相当于一个"空字符串+0+描述符号"；而不发送文件描述符号相当于"错误消息字符串+状态绝对值"）。
 函数send_err在写错误消息到s-pipe之后调用send_fd函数。如下所示：
 send_err函数
 #include "apue.h"
 /*
  * Used when we had planned to send an fd using send_fd(),
  * but encountered an error instead. We send the error back
  * using the send_fd()/recv_fd() protocol.
  */
 int send_err(int fd, int errcode, const char *msg)
 {
     int     n;

     if ((n = strlen(msg)) > 0)
         if (writen(fd, msg, n) != n)    /* send the error message */
             return(-1);

     if (errcode >= 0)
         errcode = -1;   /* must be negative */

     if (send_fd(fd, errcode) < 0)
         return(-1);

     return(0);
 }

 下面将看到函数send_fd和recv_fd函数的实现。

 将文件描述符号通过基于流的管道进行传递。
 文件描述符号用两个ioctl命令：I_SENDFD和I_RECVFD，通过streams pipes被交换。发送一个文件描述符号的时候我们设置ioctl的第三个参数为实际的文件描述符号。代码如下：
 对于streams pipes的send_fd函数
 #include "apue.h"
 #include

 /*
  * Pass a file descriptor to another process.
  * If fd<0, then -fd is sent back instead as the error status.
  */
 int send_fd(int fd, int fd_to_send)
 {
     char    buf[2];     /* send_fd()/recv_fd() 2-byte protocol */

     buf[0] = 0;         /* null byte flag to recv_fd() */
     if (fd_to_send < 0) {
         buf[1] = -fd_to_send;   /* nonzero status means error */
         if (buf[1] == 0)
             buf[1] = 1; /* -256, etc. would screw up protocol */
     } else {
         buf[1] = 0;     /* zero status means OK */
     }

     if (write(fd, buf, 2) != 2)
         return(-1);
     if (fd_to_send >= 0)
         if (ioctl(fd, I_SENDFD, fd_to_send) < 0)
             return(-1);
     return(0);
 }

 当我们接收一个文件描述符号的时候，ioctl的第3个参数是一个如下strrecvfd结构的指针：
 struct strrecvfd {
  int    fd;       /* new descriptor */
  uid_t  uid;      /* effective user ID of sender */
  gid_t  gid;      /* effective group ID of sender */
  char   fill[8];
 };
 recv_fd函数从streams pipe中读取信息，直到2字节协议的第一个字节被接收（null字节）。当我们通过I_RECVFD的ioctl命令请求的时候，流头部的读取队列的下一条消息必须是来自I_SENDFD调用的文件描述符号，或者我们获得一个错误。函数代码如下所示：
     streams pipe的recv_fd函数
 #include "apue.h"
 #include

 /*
  * Receive a file descriptor from another process (a server).
  * In addition, any data received from the server is passed
  * to (*userfunc)(STDERR_FILENO, buf, nbytes). We have a
  * 2-byte protocol for receiving the fd from send_fd().
  */
 int recv_fd(int fd, ssize_t (*userfunc)(int, const void *, size_t))
 {
     int                 newfd, nread, flag, status;
     char                *ptr;
     char                buf[MAXLINE];
     struct strbuf       dat;
     struct strrecvfd    recvfd;

     status = -1;
     for ( ; ; ) {
         dat.buf = buf;
         dat.maxlen = MAXLINE;
         flag = 0;
         if (getmsg(fd, NULL, &dat, &flag) < 0)
             err_sys("getmsg error");
         nread = dat.len;
         if (nread == 0) {
             err_ret("connection closed by server");
             return(-1);
         }
         /*
          * See if this is the final data with null & status.
          * Null must be next to last byte of buffer, status
          * byte is last byte. Zero status means there must
          * be a file descriptor to receive.
          */
         for (ptr = buf; ptr < &buf[nread]; ) {
             if (*ptr++ == 0) {
                 if (ptr != &buf[nread-1])
                     err_dump("message format error");
                  status = *ptr & 0xFF;   /* prevent sign extension */
                  if (status == 0) {
                      if (ioctl(fd, I_RECVFD, &recvfd) < 0)
                          return(-1);
                      newfd = recvfd.fd;  /* new descriptor */
                  } else {
                      newfd = -status;
                  }
                  nread -= 2;
             }
         }
         if (nread > 0)
             if ((*userfunc)(STDERR_FILENO, buf, nread) != nread)
                  return(-1);

         if (status >= 0)    /* final data has arrived */
             return(newfd);  /* descriptor, or -status */
     }
 }

参考：