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16printf("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：

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structmsghdr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structmsghdr结构的指针，指向当前structcmsghdr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) { // 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：

#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。