linux网络编程之socket(十六):通过UNIX域套接字传递描述符和 sendmsg/recvmsg 函数

前面我们介绍了UNIX域套接字编程,更重要的一点是UNIX域套接字可以在同一台主机上各进程之间传递文件描述符。

下面先来看两个函数:

 #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);

它们与sendto 和 recvfrom 函数相似,只不过可以传输更复杂的数据结构,不仅可以传输一般数据,还可以传输额外的数据,即文件描述符。下面来看结构体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 */            };

如下图所示:

1、msg_name :即对等方的地址指针,不关心时设为NULL即可;

2、msg_namelen:地址长度,不关心时设置为0即可;

3、msg_iov:是结构体iovec 的指针。   

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

成员iov_base 可以认为是传输正常数据时的buf,iov_len 是buf 的大小。

4、msg_iovlen:当有n个iovec 结构体时,此值为n;

5、msg_control:是一个指向cmsghdr 结构体的指针

  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[]; */        };

6、msg_controllen :参见下图,即cmsghdr 结构体可能不止一个;

7、flags : 一般设置为0即可;

为了对齐,可能存在一些填充字节,跟每个系统的实现有关,但我们不必关心,可以通过一些函数宏来获取相关的值,如下:

#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);        unsigned char *CMSG_DATA(struct cmsghdr *cmsg);

下面通过封装两个函数,send_fd 和 recv_fd 来进一步认识这些函数宏的作用:

void send_fd(int sock_fd, int send_fd)
{
    int ret;
    struct msghdr msg;
    struct cmsghdr *p_cmsg;
    struct iovec vec;
    char cmsgbuf[CMSG_SPACE(sizeof(send_fd))];
    int *p_fds;
    char sendchar = 0;
    msg.msg_control = cmsgbuf;
    msg.msg_controllen = sizeof(cmsgbuf);
    p_cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msg);
    p_cmsg->cmsg_level = SOL_SOCKET;
    p_cmsg->cmsg_type = SCM_RIGHTS;
    p_cmsg->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(send_fd));
    p_fds = (int *)CMSG_DATA(p_cmsg);
    *p_fds = send_fd; // 通过传递辅助数据的方式传递文件描述符

    msg.msg_name = NULL;
    msg.msg_namelen = 0;
    msg.msg_iov = &vec;
    msg.msg_iovlen = 1; //主要目的不是传递数据,故只传1个字符
    msg.msg_flags = 0;

    vec.iov_base = &sendchar;
    vec.iov_len = sizeof(sendchar);
    ret = sendmsg(sock_fd, &msg, 0);
    if (ret != 1)
        ERR_EXIT("sendmsg");
}

int recv_fd(const int sock_fd)
{
    int ret;
    struct msghdr msg;
    char recvchar;
    struct iovec vec;
    int recv_fd;
    char cmsgbuf[CMSG_SPACE(sizeof(recv_fd))];
    struct cmsghdr *p_cmsg;
    int *p_fd;
    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;
    msg.msg_control = cmsgbuf;
    msg.msg_controllen = sizeof(cmsgbuf);
    msg.msg_flags = 0;

    p_fd = (int *)CMSG_DATA(CMSG_FIRSTHDR(&msg));
    *p_fd = -1;
    ret = recvmsg(sock_fd, &msg, 0);
    if (ret != 1)
        ERR_EXIT("recvmsg");

    p_cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msg);
    if (p_cmsg == NULL)
        ERR_EXIT("no passed fd");


    p_fd = (int *)CMSG_DATA(p_cmsg);
    recv_fd = *p_fd;
    if (recv_fd == -1)
        ERR_EXIT("no passed fd");

    return recv_fd;
}

来解释一下send_fd 函数:

msg.msg_name = NULL;     msg.msg_namelen = 0;     msg.msg_iov = &vec;     msg.msg_iovlen = 1; //主要目的不是传递数据,故只传1个字符     msg.msg_flags = 0;     vec.iov_base = &sendchar;     vec.iov_len = sizeof(sendchar);

这几行中需要注意的是我们现在的目的不是传输正常数据,而是为了传递文件描述符,所以只定义一个1字节的char,其余参照前面对参数的解释可以理解。

现在我们只有一个cmsghdr 结构体,把需要传递的文件描述符send_fd 长度,也就是需要传输的额外数据大小,当作参数传给CMSG_SPACE 宏,可以得到整个结构体的大小,包括一些填充字节,如上图所示,也即 

char cmsgbuf[CMSG_SPACE(sizeof(send_fd))]; 

也就可以进一步得出以下两行:

 msg.msg_control = cmsgbuf; msg.msg_controllen = sizeof(cmsgbuf);

接着,需要填充cmsghdr 结构体,传入msghdr 指针,CMSG_FIRSTHDR宏可以得到首个cmsghdr 结构体的指针,即

    p_cmsg = CMSG_FIRSTHDR(&msg);

然后使用指针来填充各字段,如下:

    p_cmsg->cmsg_level = SOL_SOCKET;    p_cmsg->cmsg_type = SCM_RIGHTS;    p_cmsg->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(send_fd));

传入send_fd 的大小,CMSG_LEN宏可以得到cmsg_len 字段的大小。

最后,传入结构体指针 p_cmsg ,宏CMSG_DATA 可以得到准备存放send_fd 的位置指针,将send_fd 放进去,如下:

  p_fds = (int*)CMSG_DATA(p_cmsg);     *p_fds = send_fd; // 通过传递辅助数据的方式传递文件描述符

recv_fd 函数就类似了,不再赘述。

可以写个小程序测试一下:

/*************************************************************************
    > File Name: uxdomsock_sendfd.c
    > Author: Simba
    > Mail: dameng34@163.com
    > Created Time: Mon 04 Mar 2013 02:01:33 PM CST
 ************************************************************************/

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>

#define ERR_EXIT(m) \
        do \
        { \
                perror(m); \
                exit(EXIT_FAILURE); \
        } while(0)

int main(void)
{
    int sockfds[2];
    /* 只有unix域协议才能在进程间传递文件描述符,如果想要在没有亲缘关系的进程间
     * 传递,则不能用socketpair函数,要用socket()函数 */
    if (socketpair(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sockfds) < 0)
        ERR_EXIT("socketpair");

    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid == -1)
        ERR_EXIT("fork");
    /* 如果是父进程打开的文件描述符,子进程可以共享
     * 这里演示的是子进程打开的文件描述符通过封装的函数传给父进程 */
    if (pid > 0)
    {
        close(sockfds[1]);
        int fd = recv_fd(sockfds[0]);
        char buf[1024] = {0};
        read(fd, buf, sizeof(buf));
        printf("buf=%s\n", buf);
    }
    else if (pid == 0)
    {
        close(sockfds[0]);
        int fd;
        fd = open("test.txt", O_RDONLY);
        if (fd == -1);
        send_fd(sockfds[1], fd);
    }
    return 0;
}

我们知道,父进程在fork 之前打开的文件描述符,子进程是可以共享的,但是子进程打开的文件描述符,父进程是不能共享的,上述程序就是举例在子

进程中打开了一个文件描述符,然后通过send_fd 函数将文件描述符传递给父进程,父进程可以通过recv_fd 函数接收到这个文件描述符。先建立一个

文件test.txt 后输入几个字符,然后运行程序,输出如下:

simba@ubuntu:~/Documents/code/linux_programming/UNP/socket$ ./uxdomsock_sendfd  buf=ilove

证明父进程确实可以打开test.txt 文件。

最后提醒一点,只有unix域协议才能在本机进程间传递文件描述符,如果想要在没有亲缘关系的进程间传递,则不能用socketpair函数,要用socket()函

数 才行。有些同学可能会说,文件描述符不就是个int 变量,直接当做数据发送传递不行? 实际上这里通过sendmsg来传递fd,父进程才算是真正打开

了文件,也就是父进程的fd 也指向了file结构体,此file 结构体内的引用计数为2。

参考:

《Linux C 编程一站式学习》

《TCP/IP详解 卷一》

《UNP》

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