UNIX: взаимодействие процессов

Установка только бита IPC_EXCL без IPC_CREAT никакого эффекта не дает.

Логическая диаграмма последовательности действий при открытии объекта IPC изображена на рис. 3.2. В табл. 3.2 показан альтернативный взгляд на этот процесс.

Рис. 3.2. Диаграмма открытия объекта IPC

Обратите внимание, что в средней строке табл. 3.2 для флага IPC_CREAT без IPC_EXCL мы не получаем никакой информации о том, был ли создан новый объект или получен доступ к существующему. Для большинства приложений характерно создание сервером объекта IPC с указанием IPC_CREAT (если безразлично, существует ли уже объект) или IPC_CREAT | IPC_EXCL (если требуется проверка существования объекта). Клиент вообще не указывает флагов, предполагая, что сервер уже создал объект.

ПРИМЕЧАНИЕ

Функции System V IPC в отличие от функций Posix IPC определяют свои собственные константы IРС_ххх вместо использования O_CREAT и OEXCL, принимаемых стандартной функцией open (табл. 2.2).

Обратите также внимание на то, что функции System V IPC совмещают константы IРС_ххх с битами разрешений (описанными в следующем разделе) в едином аргументе oflag, тогда как для функции open и для Posix IPC характерно наличие двух аргументов: oflag, в котором задаются флаги вида О_ххх, и mode, определяющего биты разрешений доступа.

Таблица 3.2. Логика создания и открытия объектов IPC

Аргумент oflag	Ключ не существует	Ключ существует
Специальные флаги не установлены	Ошибка, errno=ENOENT	OK, открытие существующего объекта
IPC_CREAT	OK, создается новая запись	OK, открытие существующего
IPC CREAT|IPC_EXCL	OK, создается новая запись	Ошибка, errno=EEXIST

3.5. Разрешения IPC

При создании нового объекта IPC с помощью одной из функций getXXX, вызванной с флагом IPC_CREAT, в структуру ipc_perm заносится следующая информация (раздел 3.3):

1. Часть битов аргумента oflag задают значение поля mode структуры ipc_perm. В табл. 3.3 приведены биты разрешений для трех типов IPC (запись >>3 означает сдвиг вправо на три бита).

2. Поля cuid и cgid получают значения, равные действующим идентификаторам пользователя и группы вызывающего процесса. Эти два поля называются идентификаторами создателя.

3. Поля uid и gid структуры iрс_perm также устанавливаются равными действующим идентификаторам вызывающего процесса. Эти два поля называются идентификаторами владельца.

Таблица 3.3. Значения mode для разрешений чтения-записи IPC 

Число (восьмеричное)	Очередь сообщений	Семафор	Разделяемая память	Описание
0400	MSG_R	SEM_R	SHM_R	Пользователь — чтение
0200	MSG_W	SEM_A	SHM_W	Пользователь — запись
0040	MSG R>>3	SEM_R>>3	SHM_R>>3	Группа — чтение
0020	MSG_W>>3	SEM_A>>3	SHM_W>>3	Группа — запись
0004	MSG_R>>6	SEM_R>>6	SHM_R>>6	Прочие — чтение
0002	MSG_W>>6	SEM_A>>6	SHM_W>>6	Прочие — запись

Идентификатор создателя изменяться не может, тогда как идентификатор владельца может быть изменен процессом с помощью вызова функции ctlXXX для данного механизма IPC с командой IPC_SET. Три функции ctlXXX позволяют процессу изменять биты разрешений доступа (поле mode) объекта IPC.

ПРИМЕЧАНИЕ

В большинстве реализаций определены шесть констант: MSG_R, MSG_W, SEM_R, SEM_A, SHM_R и SHM_W, показанные в табл. 3.3. Константы эти определяются в заголовочных файлах <sys/msg.h>, <sys/sem.h> и <sys/shm.h>. Однако стандарт Unix 98 не требует их наличия. Суффикс А в SEM_A означает «alter» (изменение).

Тройка функций getXXX не используют стандартную маску создания файла Unix. Разрешения очереди сообщений, семафора и разделяемой памяти устанавливаются в точности равными аргументу функции.

Posix IPC не дает создателю IPC возможности изменить владельца объекта. В Posix нет аналогов команды IPC_SET. Однако в Posix IPC имя объекта принадлежит файловой системе, и потому владелец может быть изменен привилегированным пользователем с помощью команды chown.

Когда какой-либо процесс предпринимает попытку доступа к объекту IPC, производится двухэтапная проверка: первый раз при открытии файла (функция getXXX) и затем каждый раз при обращении к объекту IPC:

1. При установке доступа к существующему объекту IPC с помощью одной из функций getXXX производится первичная проверка аргумента oflag, вызывающего функцию процесса. Аргумент не должен указывать биты доступа, не установленные в поле mode структуры ipc_perm (нижний квадрат на рис. 3.2). Например, процесс-сервер может установить значение члена mode для своей очереди входящих сообщений, сбросив биты чтения для группы и прочих пользователей. Любой процесс, попытавшийся указать эти биты в аргументе oflag функции msgget, получит ошибку. Надо отметить, что от этой проверки, производимой функциями getXXX, мало пользы. Она подразумевает наличие у вызывающего процесса информации о том, к какой группе пользователей он принадлежит: он может являться владельцем файла, может принадлежать к той же группе или к прочим пользователям. Если создающий процесс сбросит некоторые биты разрешений, а вызывающий процесс попытается их установить, функция getXXX вернет ошибку. Любой процесс может полностью пропустить эту проверку, указав аргумент oflag, равный 0, если заранее известно о существовании объекта IPC.

2. При любой операции с объектами IPC производится проверка разрешений для процесса, эту операцию запрашивающего. Например, каждый раз когда процесс пытается поместить сообщение в очередь с помощью команды msgsnd, производятся нижеследующие проверки (при получении доступа последующие этапы пропускаются).

 □ Привилегированному пользователю доступ предоставляется всегда.

 □ Если действующий идентификатор пользователя совпадает со значением uid или cuid объекта IPC и установлен соответствующий бит разрешения доступа в поле mode объекта IPC, доступ будет разрешен. Под соответствующим битом разрешения доступа подразумевается бит, разрешающий чтение, если вызывающий процесс запрашивает операцию чтения для данного объекта IPC (например, получение сообщения из очереди), или бит, разрешающий запись, если процесс хочет осуществить ее.

 □ Если действующий идентификатор группы совпадает со значением gid или cgid объекта IPC и установлен соответствующий бит разрешения доступа в поле mode объекта IPC, доступ будет разрешен.

 □ Если доступ не был разрешен на предыдущих этапах, проверяется наличие соответствующих установленных битов доступа для прочих пользователей.

3.6. Повторное использование идентификаторов

Структура ipc_perm (раздел 3.3) содержит переменную seq, в которой хранится порядковый номер канала. Эта переменная представляет собой счетчик, заводимый ядром для каждого объекта IPC в системе. При удалении объекта IPC номер канала увеличивается, а при переполнении сбрасывается в ноль.

ПРИМЕЧАНИЕ

В этом разделе мы описываем характерную для SVR4 реализацию. Стандарт Unix 98 не исключает использование других вариантов.

В счетчике возникает потребность по двум причинам. Во-первых, вспомним о дескрипторах файлов, хранящихся в ядре для каждого из открытых файлов. Они обычно представляют собой небольшие целые числа, имеющие значение только внутри одного процесса — для каждого процесса создаются собственные дескрипторы. Прочитать из файла с дескриптором 4 можно только в том процессе, в котором есть открытый файл с таким дескриптором. Есть ли открытые файлы с тем же дескриптором в других процессах — значения не имеет. В отличие от дескрипторов файлов идентификаторы System V IPC устанавливаются для всей системы, а не для процесса.

Идентификатор IPC возвращается одной из функций getXXX: msgget, semget, shmget. Как и дескрипторы файлов, идентификаторы представляют собой целые числа, имеющие в отличие от дескрипторов одинаковое значение для всех процессов. Если два неродственных процесса (клиент и сервер) используют одну очередь сообщений, ее идентификатор, возвращаемый функцией msgget, должен иметь одно и то же целочисленное значение в обоих процессах, чтобы они получили доступ к одной и той же очереди. Такая особенность дает возможность какому-либо процессу, созданному злоумышленником, попытаться прочесть сообщение из очереди, созданной другим приложением, последовательно перебирая различные идентификаторы (если бы они представляли собой небольшие целые числа) и надеясь на существование открытой в текущий момент очереди, доступной для чтения всем. Если бы идентификаторы представляли собой небольшие целые числа (как дескрипторы файлов), вероятность найти правильный идентификатор составляла бы около 1/50 (предполагая ограничение в 50 дескрипторов на процесс).

Для исключения такой возможности разработчики средств IPC решили расширить возможный диапазон значений идентификатора так, чтобы он включал вообще все целые числа, а не только небольшие. Расширение диапазона обеспечивается путем увеличения значения идентификатора, возвращаемого вызывающему процессу, на количество записей в системной таблице IPC каждый раз, когда происходит повторное использование одной из них. Например, если система настроена на использование не более 50 очередей сообщений, при первом использовании первой записи процессу будет возвращен идентификатор 0. После удаления этой очереди сообщений при попытке повторного использования первой записи в таблице процессу будет возвращен идентификатор 50. Далее он будет принимать значения 100, 150 и т. д. Поскольку seq обычно определяется как длинное целое без знака (ulong — см. структуру ipc_perm в разделе 3.3), возврат к уже использовавшимся идентификаторам происходит, когда запись в таблице будет использована 85899346 раз (2³²/50 в предположении, что целое является 32-разрядным).

Второй причиной, по которой понадобилось ввести последовательный номер канала, является необходимость исключить повторное использование идентификаторов System V IPC через небольшой срок. Это помогает гарантировать то, что досрочно завершивший работу и впоследствии перезапущенный сервер не станет использовать тот же идентификатор.

Иллюстрируя эту особенность, программа в листинге 3.2 выводит первые десять значений идентификаторов, возвращаемых msgget.

Листинг 3.2. Вывод идентификатора очереди сообщений десять раз подряд

//svmsg/slot.c

1  #include <unpipc.h>

2  int

3  main(int argc, char **argv)

4  {

5   int i, msqid;

6   for (i=0;i<10;i++) {

7    msqid=Msgget(IPC_PRIVATE, SVMSG_MODE|IPC_CREAT);

8    printf("msqid = %d\n", msqid);

9    Msgctl(msqid, IPC_RMID, NULL);

10  }

11  exit(0);

12 }

При очередном прохождении цикла msgget создает очередь сообщений, a msgctl с командой IPC_RMID в качестве аргумента удаляет ее. Константа SVMSG_MODE определяется в нашем заголовочном файле unpipc.h (листинг В.1) и задает разрешения по умолчанию для очереди сообщений System V. Вывод программы будет иметь следующий вид:

solaris %slot

msqid = 0

msqid = 50

msqid = 100

msqid = 150

msqid = 200

msqid = 250

msqid = 300

msqid = 350

msqid = 400

msqid = 450

При повторном запуске программы мы увидим наглядную иллюстрацию того, что последовательный номер канала — это переменная, хранящаяся в ядре и продолжающая существовать и после завершения процесса.

solaris % slot

msqid = 500

msqid = 550

msqid = 600

msqid = 650

msqid = 700

msqid = 750

msqid = 800

msqid = 850

msqid = 900

msqid = 950

3.7. Программы ipcs и ipcrm

Поскольку объектам System V IPC не сопоставляются имена в файловой системе, мы не можем просмотреть их список или удалить их, используя стандартные программы ls и rm. Вместо них в системах, поддерживающих эти типы IPC, предоставляются две специальные программы: ipcs, выводящая различную информацию о свойствах System V IPC, и ipcrm, удаляющая очередь сообщений System V, семафор или сегмент разделяемой памяти. Первая из этих функций поддерживает около десятка параметров командной строки, управляющих отображением информации о различных типах IPC. Второй (ipcrm) можно задать до шести параметров. Подробную информацию о них можно получить в справочной системе.

ПРИМЕЧАНИЕ

Поскольку System V IPC не стандартизуется Posix, эти команды не входят в Posix.2. Они описаны в стандарте Unix 98.

3.8. Ограничения ядра

Большинству реализаций System V IPC свойственно наличие внутренних ограничений, налагаемых ядром. Это, например, максимальное количество очередей сообщений или ограничение на максимальное количество семафоров в наборе. Характерные значения этих ограничений приведены в табл. 6.2, 11.1 и 14.1. Большая часть ограничений унаследована от исходной реализации System V. 

ПРИМЕЧАНИЕ

Раздел 11.2 книги [1] и глава 8 [6] описывают реализацию очередей сообщений, семафоров и разделяемой памяти в System V. Некоторые из этих ограничений описаны уже там.

К сожалению, некоторые из накладываемых ограничений достаточно жестки, поскольку они унаследованы от исходной реализации, базировавшейся на системе с небольшим адресным пространством (16-разрядный PDP-11). К счастью, большинство систем позволяют администратору изменять некоторые из установленных по умолчанию ограничений, но необходимые для этого действия специфичны для каждой версии Unix. В большинстве случаев после внесения изменений требуется перезагрузка ядра. К сожалению, в некоторых реализациях для хранения некоторых параметров до сих пор используются 16-разрядные целые, а это уже устанавливает аппаратные ограничения.

В Solaris 2.6, например, таких ограничений 20. Их текущие значения можно вывести на экран, используя команду sysdef. Учтите, что вместо реальных значений будут выведены нули, если соответствующий модуль ядра не загружен (то есть средство не было ранее использовано). Это можно исключить, добавив к файлу /etc/system любой из нижеследующих операторов. Файл /etc/system считывается в процессе перезагрузки системы:

set msgsys:msginfo_msgseg = значение

set msgsys:msginfo_msgssz = значение

set msgsys:msginfo_msgtql = значение

set msgsys:msginfo_msgmap = значение

set msgsys:msginfo_msgmax = значение

set msgsys:msginfo_msgmnb = значение

set msgsys:msginfo_msgmni = значение

set semsys:seminfo_semopm = значение

set semsys:seminfo_semume = значение

set semsys:seminfo_semaem = значение

set semsys:seminfo_semmap = значение

set semsys:seminfo_semvmx = значение

set semsys:seminfo_semmsl = значение

set semsys:seminfo_semmni = значение

set semsys:seminfo_semmns = значение

set semsys:seminfo_semmnu = значение

set shmsys:shminfo_shmmin = значение

set shmsys:shminfo_shmseg = значение