linux会话浅析

说起会话，我们经常登录到linux系统，执行各种各样的程序，这都牵涉到会话。但是，一般情况下我们又很少会去关注到会话的存在，很少会去了解它的来龙去脉。本文就对linux会话相关的信息做一些整理，看看隐藏在我们日常使用的背后，都有些什么样的逻辑。

【会话的维系】

维系一个会话，最常见的有两种方式：

一是基于某种凭证，比如web网站的登录会话，在登录验证之后，服务器就会返回一个session id作为凭证。用户之后的请求总是会带上这个id，而服务器通过这个id也就能知道用户是谁。直到用户注销登录、或者登录超时，服务器会清洗掉对应的session id，这个id就失效了，会话也就随之而结束。

第二种方式是基于连接的，当用户和系统之间的连接启用时，系统会对用户进行验证，验证通过之后，来自这个连接的操作都是属于这个用户的。直到连接断开，则会话结束。

linux系统的会话就是以第二种方式来维系的。会话基于连接，那么连接的安全性就决定了会话的安全性。以最常见的两种连接为例：
1、本地连接，用户是直接通过键盘显示器来跟系统交互的，键盘显示器直接连接在主机上，连接被篡改基本上是不可能的；
2、远程连接，以ssh为例，其协议会进行加密，从而避免连接被篡改；
下面在讨论会话的时候就围绕两种连接来展开。

【连接的启用】

前面说到，会话是基于连接的。会话的源头，就是用户与系统之间连接的启用。

对于本地连接，连接是在系统初始化时建立的。linux会初始化若干个tty（/dev/tty?），形成若干个虚拟终端。本地连接的键盘和显示器通过对应的驱动程序，跟其中某个tty绑定上。用户可以通过ALT+F[1-12]键，将键盘和显示器切换到不同的tty上（也就是说，一套键盘显示器可以对应多个本地连接）。
在系统启动的时候，init程序会根据相应的配置（如：/etc/init/tty1.conf），启动相应的程序来监听这些tty（如：/sbin/getty -8 38400 tty1。下文说到这个监听程序时，就以getty为例）。当用户通过ALT+F?切换到对应的tty?、并有所输入时，在该tty上监听的getty就能读取到输入信息，然后通过exec启动login程序来进行登录验证。从getty得到输入的这一刻起，tty?上的这个连接就算是启用了。

对于远程连接，本文都以ssh为例。系统安装ssh server之后，在/etc/init.d/下会有它对应的启动脚本，这会使得sshd程序（ssh服务器）在系统启动的时候被启动（当然，root用户也可以在系统启动之后，手动启动sshd）。sshd监听网络上的相应端口（如：tcp:22），等待远程用户的连接。用户的连接始于TCP连接，然后sshd和ssh-client会打通ssh隧道。从这时起，连接启用，sshd会要求用户进行登录验证。

【登录验证】

不管是本地终端登录，还是远程登录，登录验证无非就是要让用户输入用户名和密码。用户输入的信息通过已经启用的连接到达对端程序（如：login、sshd），然后由其进行校验。

系统中的用户信息存放在/etc/passwd文件中，里面保存的系统中所有用户的信息。这些信息主要有：用户名、密码、组、home路径、以及登录后执行的程序、等。这些信息可以分两个层面来看：
一、用于验证的。包括用户名和密码两项。即用户在与系统建立连接后，需要提供用户名和密码来进行验证（注意，密码一般并不是明文保存在passwd文件中的）；
二、登录后用于设置用户属性的。除密码外的所有项。下面会详细解释；

用户登录后会得到一个进程，关于这个进程，它有如下一些特征：
1、对于本地连接，它就是原本执行getty的那个进程；而对于ssh连接，它是由sshd fork出来的进程；
2、进程的用户名、组、当前路径、等都被按/etc/passwd文件中的描述进行设置；
3、进程的stdin、stdout、stderr连接到一个对应的终端。对于本地连接，这个终端就是getty监听的那个tty；对于ssh连接，它是由sshd打开的pty（伪终端，后面会详细解释）；
4、这个进程会执行/etc/passwd中配置的"登录后执行的程序"，这个程序一般就是/bin/sh，即登录后为用户提供一个shell控制台。于是用户可以使用自己的终端跟这个shell程序交互，干各种事情。这个"登录后执行的程序"也常被配置为/bin/nologin，表示对应用户是不允许登录的，因为nologin程序不会与用户进行交互，打印错误信息后就会退出了，所以登录只是白费劲。当然，如果你愿意，并且有root权限，也可以将"登录后执行的程序"配置成其他程序；

于是，用户在登录完成之后，系统中就存在这样一个用户名为该登录用户的进程。通常这个进程运行shell程序，并且其输入输出连接到用户的终端，所以用户可以用键盘来操作这个shell，并且用显示器接收shell的输出。

【关于终端】

前面讲到，登录后的shell其输入输出是连接到用户使用的终端的，不管是本地登录的tty，还是远程登录的pty。但是，为什么要有终端呢？shell的输入直接接到键盘、输出直接接到显示器，这样不行么？尤其是远程的情况，shell的输入输出为什么不能直接接到网络，而非要弄一个pty出来呢？
最容易想到的一点，终端能够使得上层不必关心输入输出设备本身的细节，只管对其读写就行了。不过这一点似乎并不是终端所特有的，因为vfs已经能够胜任了。应用程序open设备文件，得到fd，然后同样只用管对其读写就行了，而不用关心这个fd代表的是键盘、还是普通文件，具体的细节已经被隐藏在设备驱动程序之中。

不过，相比于普通的读写，终端还实现了很多可以通过ioctl系统调用进行配置的功能，能够完成一些针对输入输出的处理逻辑。如：
1、回车换行的转换：定义输入输出如何映射回车换行符。比如：回车键是\r、还是\n、还是\r\n；再如：\n应该如何打印到屏幕上，是回车+换行、还是只换行不回车、等等；
2、行编辑：允许让输入字符不是立马送到应用程序，而是在换行以后才能被读取到。未换行的输入字符可以通过退格键进行编辑（比如在你密码输错的时候，是可以用CTRL+退格来进行编辑的）；
3、回显：可以让输入字符自动被回显到终端的输出上。于是，键盘每输入一个字符都能在显示器上看到它，而这些字符其实很可能是还没被应用程序读取到的（因为有行编辑）；
4、功能键：允许定义功能键。比如最常用的Ctrl+C，杀死前台进程，就是由终端来触发的。终端检测到Ctrl+C输入，会向前台进程组发送SIGTERM信号。而谁是前台进程组呢？这是由shell通过ioctl系统调用对终端使用TIOCSPGRP命令来设置的，每当shell启动一个前台进程，它都需要这么设置一下；
5、输入输出流向控制，只有前台进程组能够从终端中读数据、而不管前台后台程序都能向终端写数据。这点也是必须的，跟用户进程交互的是前台进程，用户的输入当然不能被其他后台进程抢走。但是一个进程是前台还是后台，是它自己是所不知道的，没法靠进程自己来判断什么时候可以读终端、什么时候不能读。所以需要终端来提供支持，如果后台进程读这个终端，终端的驱动程序将向其发送SIGTTIN信号，从而将其挂起。直到shell将其重新置为前台进程时（通过fg命令），该进程才会继续执行；
6、等等；

终端提供的这些功能未必都会被打开它的程序使用到，但是如果要使用，则可以通过统一的ioctl接口来设置，而不需要关心终端具体接的是什么设备，是键盘显示器？还是网络。大多数应用程序则根本不关心终端，只当它是能够满足读写需求的文件。而像shell这样为人机交互而生的程序，则注定会跟终端打交道。
对于shell来说，像“行编辑”、“回显”这样的功能，其实是可以不需要依赖终端的，shell程序自己可以做这样的处理，因为要做处理的数据正是shell从终端里面读到的数据。但是像“功能键”、“输入输出流向控制”这样的功能，则又不得不依赖终端。比如“功能键”，因为这时在对终端进行读操作的是shell启动的前台程序，而不是shell自己，所以不可能由shell来读取功能键，然后触发信号。

可以说，终端是人机交互时，应用程序与用户之间的一个中间层。如果应用程序是在跟人交互，使用终端是其不二的选择；否则则没有必要使用终端。这一点在sshd上面有很好的体现。当用户使用ssh登录到远程机器remotehost，并执行一些操作时（比如执行cat test.txt操作），可以有两种方式：
1、ssh user:pass@remotehost，远程登录后，再在shell中执行cat test.txt命令；
2、ssh user:pass@remotehost 'cat test.txt'，直接由sshd启动一个shell、自动执行'cat test.txt'命令；
第一种方式，是登录之后，再通过人机交互输入命令，这时sshd会为登录后得到的shell程序准备一个pty，以支持人机交互；而第二种方式，在登录之后并不需要交互，所以sshd就并不会使用pty，而是直接通过socket将shell的输入输出跟自己连接起来（再由sshd将其转发给ssh-client）。

下面再说一下pty。pty分master和slave两端，跟pipe的两端很像，写入到master端的数据可以原样从slave端读出，反之亦然。在上面所述的第一种方式下，各个进程的联系如下：
ssh-client <-> [socket] <-> sshd <-> [master] <-> [slave] <-> shell
pty的master和slave两端分别被sshd和shell打开，就像pipe一样，将它们的输入输出连接起来。而pty跟pipe的不同之处，则正是前面所说的终端的功能（pty的slave端对于shell来说就是一个终端）。
跟tty不同，tty是系统初始化时生成的，其数目是固定的（比如12个）。而pty是系统启动后动态创建的。其创建的方法是：fd = open('/dev/ptms')，这样就得到了一个pty。open返回的fd代表master端，通过ptyname(fd)可以得到对应slave端的文件路径（比如'/dev/pts/2'），这个设备文件是master端被open之后动态生成的。

【权限控制】

用户登录验证成功后，getty、sshd这样的程序就会为用户启动他所对应的"登录后执行的程序"，并且在此之前会通过setuid()、setgid()这样的系统调用，设置好进程的uid和gid（用户和组）。之后，这个进程对文件的读、写、执行，以及对系统调用的使用，等都会受到进程uid和gid的限制。
用户对系统的各种操作都是通过进程来完成的。而用户的输入输出都被定向到他登录后所得到的那个进程上，于是用户能够控制这个进程，来干他想干的事情（如果这个进程接受控制的话，比如进程运行着一个shell程序）。
用户的操作都受限于进程的uid和gid，比如文件访问、向进程发送信号、使用系统调用、监听网络端口、等都需要对其做检查。

除非是root用户，否则没有权限使用setuid()、setgid()这样的系统调用来修改进程的uid和gid。而login时，login、sshd这样的进程之所以能够设置登录后进程的uid和gid，正是因为它们都是root用户的进程。
如果想要改变登录用户，则必须利用属于root用户的进程。一种办法是退出登录，然后走老路，重新跟getty、sshd这样的进程打交道，而使用其他用户名登录。另一种办法是执行一个setuid/setgid程序（参见《记一个linux内核内存提权问题》中的说明），临时获得root权限，再实现用户的切换（例如su就是这样一个能实现用户切换的setuid命令）。

为了实现进程权限控制中的各种功能，进程的uid和gid其实并不止一组，主要有如下三组：
1、ruid/rgid，代表实际的用户和组id；
2、euid/egid，代表当前生效的用户和组id；
3、suid/sgid，代表保留的用户和组id；
什么意思呢？一般情况下，在用户登录得到的进程中，这三组id都是相同的值，与登录用户相对应（假设为aaa）。而用户新创建的进程也会全部继承这三组id。
当用户执行一个setuid/setgid程序时，执行程序的进程将得到可执行程序owner（假设为bbb）的用户属性，euid/egid和suid/sgid会更新为bbb（而ruid/rgid不会被更新）。
这些id在进程操作别的对象时（比如写文件、发信号、等）或被别的进程操作时（比如其他进程向其发信号、等）会被用做校验。ruid/rgid和euid/egid在进程被操作的时候会使用到，euid/egid在进程发起操作的时候会用到。比如有一个进程，其ruid是aaa、euid是bbb，则euid为aaa或bbb的其他进程都可以向其发送信号。而该进程在进行读写文件、创建文件、等操作时，使用的则是用户bbb的权限：它创建的文件owner是bbb、它在访问owner是aaa的文件时以other权限进行校验。
那么第三组id，suid/sgid又是干什么用的呢？之前说普通用户没有权限使用setuid()这样的系统调用来改变进程的uid和gid，其实这个说法并不确切。进程其实是有权限将自己的ruid/rgid、euid/egid、suid/sgid的值修改成与这三者之一相等的值。比如ruid/rgid为aaa、suid/sgid为bbb，则用户可以任意将euid/egid设置为aaa或bbb。因为大多数情况下这三组id是等值的，所以一般说用户进程不能修改自己的uid和gid（只能从aaa修改为aaa，相当于不能修改）。但是执行setuid的程序后，进程的这三组id就有了两种不同的取值，ruid/rgid等于aaa、euid/egid和suid/sgid等于bbb，于是进程的uid就有了一定的选择余地。比如此时进程的euid/egid被更新成了bbb，那就不能再以owner身份去操作aaa的文件了（注意，这个进程原本是以aaa用户登录而得到的）。不过没关系，进程是有权限将euid/egid改回aaa的，因为ruid/rgid的值是aaa。但是改回来之后，ruid/rgid和euid/egid都是aaa了，要再想把euid/egid改为bbb怎么办呢？suid/sgid就是为此而生的，作为一个备份，它的值是bbb，这使得euid/egid还能够修改回bbb。当然，进程也有权限将euid/egid和suid/sgid都改回aaa，这将使得它们不再能修改成bbb了。

【会话退出】

用户登录是一个会话的开始。登录之后，用户会得到一个跟用户使用的终端相连的进程，这个进程被称作是这个会话的leader，会话的id就等于该进程的pid。由该进程fork出来的子进程都是这个会话的成员（进程的sid等于该会话id）。
leader进程的退出，将导致它所连接的终端被hangup，这意味着会话结束。反过来，像ssh这样的远程连接也可以通过断开连接的方式来使终端hangup，这将使得leader进程收到SIGHUP信号而退出。
如果会话使用的是pty，其本身是随会话的建立而创建出来的，会话结束，则pty被销毁；而如果会话使用的是tty，其本身是在系统初始化时创建的，并不依赖于会话的建立，则会话结束时，tty依然存在。init进程检测到使用该tty的会话已经结束，便会重新启动一个getty来监听该tty。

不过，会话结束，并不意味着在该会话中创建的所有进程都结束了。所谓的daemon进程，正是在某个会话中创建，但是却不依赖该会话，而常驻后台的进程。
具体来说，当终端hangup时，内核会有如下两个动作：
1、向对应会话的leader进程发送SIGHUP信号。而一般来说，会话的leader进程很可能是一个shell，它在收到SIGHUP信号后，并不是马上退出，而是会向它所启动的子进程都各自发送一个SIGHUP信号，将它们都杀死，然后自己才退出。不过，如果是这个作为leader进程shell自己退出，而导致终端hangup的话，向其子进程发送SIGHUP信号的事情就不会发生了，因为shell退出在先，它再也不会收到SIGHUP信号；
2、修改所有打开该终端的文件句柄，改成一个不可读不可写的实现；

所以，在会话退出之后还常驻后台的进程肯定是没法跟终端交互的。而要想让进程常驻后台，一般有如下几种方法：
1、避免shell发SIGHUP信号；
主要有两种办法：1)主动exit，而不是直接断开终端；2)两次fork。因为shell只认识它自己fork出来的子进程，并不知道"子又生孙"的事情，也就不会给孙子进程发送SIGHUP信号了；
2、忽略SIGHUP信号；
终端hangup时进程可能收到shell发送的SIGHUP信号。信号的默认处理动作是退出进程，但是该信号是可以忽略的。忽略信号，就可以使得后台进程不会随会话退出而退出。
nohup命令就是做这件事情的，而且它做得更完整一些，不仅忽略SIGHUP，还会将进程的标准输入重定向为/dev/null、输出重定向到nohup.out文件；
3、使用setsid()系统调用，为进程开启一个新的会话；
从一个会话中fork出来的进程，默认都是属于这个会话的。但是进程可以调用setsid()，使自己脱离原先的会话，而成为一个新会话的leader。于是，原先的会话退出，就不会影响到新建的会话了。
setsid命令包装了setsid()系统调用，可以为进程创建新的会话。不过它并不对新进程的输入输出进行重定向，这就意味着新进程的输入输出还是连接到原先的那个tty的，这可能跟原先的会话争抢输入。所以，对新会话的进程进行输入输出的重定向也是一件很重要的事情。

一个进程成为daemon进程，可以不随会话的退出而退出，但是进程的uid/gid并不会因此而改变。对应的用户还可以在其他会话中，通过发信号等方式，操作那些原来由他所启动的daemon进程（因为权限控制是以用户为准的，而并不考虑会话）。