通过 UNIX domain socket 在进程间传递文件描述符

Linux 提供了一系列系统调用使我们能在进程间传递文件描述符. 这里的 “传递文件描述符” 不是简单地传递文件描述符这个32位整数, 而是真正地把这个文件句柄传递给目标进程, 使目标进程可以对文件执行读写操作. 现在假设 进程B 要给 进程A 发送文件描述符, 我们来看具体做法.

1. UNIX domain socket

要想传递文件描述符, 首先需要建立进程间通信. 这里我们需要用到 UNIX domain socket. UNIX domain socket 是一种进程间通信的方式, 它和普通的 socket 类似, 不同的是不需要用到 ip 地址, 而是使用一个 socket 文件. 我们要利用它发送控制信息, 从而传递文件描述符. 首先我们让进程A先创建一个 socket:

/*code of process A*/
int socket_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_DGRAM, 0);

注意 socket 函数的参数. AF_UNIX 便是指定协议族为 UNIX domain socket. 这里我们使用数据报套接字 SOCK_DGRAM, 这与 UDP 类似, 不需要建立链接, 直接通过地址发送. 当然也可以使用 SOCK_STREAM, 这与就与 TCP 类似. 这里就不列举了.

接下来我们绑定地址:

/*code of process A*/
struct sockaddr_un un;
un.sun_family = AF_UNIX;
unlink("process_a");
strcpy(un.sun_path, "process_a");

if (bind(socket_fd, (struct sockaddr*)&un, sizeof(un)) < 0) {
    printf("bind failed\n");
    return 1;
}

注意这里的地址就不再是一个 ip 地址了, 而是一个文件路径. 在这里我们指定地址为 process_a, 然后调用 bind 绑定地址, 这时就会创建一个名为 process_a 的 socket 文件.

这样一来, 其他的进程就可以通过 process_a 这样一个特殊的地址跟这个进程发送消息了. 就跟发送 UDP 消息一样, 不同的是使用 struct sockaddr_un 来定义地址, 而不是 struct sockaddr_in 或 struct sockaddr_in6. 除此之外, 重要的是, 其他进程还可以通过发送控制信息向这个进程传递文件描述符.

2. sendmsg

Linux 提供了一对系统调用: sendmsg 和 recvmsg. 与我们平时用的 send 和 recv 不同, 它们除了可以发送或接收常规数据之外, 还可以用来发送或接收控制信息, 这是传递文件描述符的关键; 此外它们还可以用来发送或接收一段不连续的数据.

我们来看这两个系统调用的声明

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t sendmsg(int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags);
ssize_t recvmsg(int sockfd, struct msghdr *msg, int flags);

sendmsg 和 recvmsg 使用一个结构体 struct msghdr 来描述发送的数据. 结构体定义如下:

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

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 */
};

• msg_name 目标地址. 这个是可选的, 如果协议是面向连接的, 就不需要指定地址; 否则就需要指定地址. 这就类似于 send() 和 sendto().
• msg_iov 要发送的数据. 这是一个数组, 数组的长度由 msg_iovlen 指定, 数组的元素是一个 struct iovec 结构体, 这个结构体指定一段连续数据的起始地址(iov_base)和长度(iov_len). 也就是说, 它可以发送多段连续数据; 或者说, 可以发送一段不连续的数据.
• msg_control 控制信息. 这就是我们今天的主角. 我们不能直接设置它, 必须使用一系列的宏来设置它.

msg_control 指向一个由 struct cmsghdr 结构体及其附加数据构成的序列. struct cmsghdr 的定义如下:

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[]; */
};

struct cmsghdr 实际上定义的是数据的头部, 后面应该紧跟着一个 unsigned char 数组, 存放控制信息的实际数据. 也就是大家常说的 “变长结构体”. msg_control 便是指向一个由这样的变长结构体构成的序列. 内存结构如下图所示:

control data

我们需要用到以下几个宏:

#include <sys/socket.h>

struct cmsghdr *CMSG_FIRSTHDR(struct msghdr *msgh);
size_t CMSG_SPACE(size_t length);
size_t CMSG_LEN(size_t length);
unsigned char *CMSG_DATA(struct cmsghdr *cmsg);

• CMSG_FIRSTHDR() 返回 msg_control 指向的序列的第一个元素
• CMSG_SPACE() 传入控制信息的实际数据的长度, 返回变长结构体需要占用的空间
• CMSG_LEN() 传入控制信息的实际数据的长度, 返回变长结构体的长度
• CMSG_DATA() 返回存放控制信息的实际数据的首地址.

需要注意 CMSG_SPACE() 和 CMSG_LEN() 的区别: 前者包含 padding 的长度, 是实际占用的空间; 后者则不包含 padding 的长度, 用于赋值给 cmsg_len.

接下来我们来让进程B传递文件描述符给进程A. 首先设置进程A的地址, 也就是 “process_a”:

/*code of process B*/
struct sockaddr_un ad;
ad.sun_family = AF_UNIX;
strcpy(ad.sun_path, "process_a");

我们只需要发送控制信息, 不需要发送常规数据, 所以把常规数据置空:

/*code of process B*/
struct iovec e = {NULL, 0};

接下来为控制数据分配空间, 因为我们只传递一个文件描述符, 所以长度是 sizeof(int):

/*code of process B*/
char cmsg[CMSG_SPACE(sizeof(int))];

然后就可以设置 struct msghdr 结构体:

/*code of process B*/
struct msghdr m = {(void*)&ad, sizeof(ad), &e, 1, cmsg, sizeof(cmsg), 0};

接下来获取我们获取 struct cmsghdr 并设置它:

/*code of process B*/
struct cmsghdr *c = CMSG_FIRSTHDR(&m);
c->cmsg_level = SOL_SOCKET;
c->cmsg_type = SCM_RIGHTS;
c->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(int));
*(int*)CMSG_DATA(c) = cfd; // set file descriptor

最后发送出去即可:

/*code of process B*/
sendmsg(mfd, &m, 0)

3. recvmsg

现在我们让进程A接收传递过来的文件描述符. 这里我们调用 recvmsg.

/*code of process A*/
char buf[512];
struct iovec e = {buf, 512};
char cmsg[CMSG_SPACE(sizeof(int))];
struct msghdr m = {NULL, 0, &e, 1, cmsg, sizeof(cmsg), 0};

int n = recvmsg(socket_fd, &m, 0);
printf("Receive: %d\n", n);

struct cmsghdr *c = CMSG_FIRSTHDR(&m);
int cfd = *(int*)CMSG_DATA(c); // receive file descriptor

这样, 进程A 就收到了进程B传递过来的文件描述符, 并且进程B打开着这个文件, 可以对其执行读写操作.

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参考资料: - cmsg(3) - Linux man page - Ancillary Data