Linux ns 5. IPC Namespace 详解
2024-08-31 02:09:00
1. 简介
进程间通讯的机制称为 IPC(Inter-Process Communication)。Linux 下有多种 IPC 机制：管道（PIPE）、命名管道（FIFO）、信号（Signal）、消息队列（Message queues）、信号量（Semaphore）、共享内存（Share Memory）、内存映射（Memory Map）、套接字（Socket）。
其中的三种消息队列（Message queues）、信号量（Semaphore）、共享内存（Share Memory）被称为 XSI IPC，他们源自于 UNIX System V IPC。
Linux 的 IPC Namespace 主要就是针对 XSI IPC 的，和其他 IPC 机制无关。
我们用简单操作来熟悉一下 IPC Namespace 的概念：
1、查看普通进程的 IPC namespace ：
pwl@ubuntu:~$ sudo ls -l /proc/$$/ns
[sudo] password for pwl:
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:53 cgroup -> 'cgroup:[4026531835]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:53 ipc -> 'ipc:[4026531839]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:53 mnt -> 'mnt:[4026531840]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:53 net -> 'net:[4026531993]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:53 pid -> 'pid:[4026531836]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:53 pid_for_children -> 'pid:[4026531836]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:53 user -> 'user:[4026531837]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:53 uts -> 'uts:[4026531838]'
pwl@ubuntu:~$ ipcs
------ Message Queues --------
key msqid owner perms used-bytes messages
------ Shared Memory Segments --------
key shmid owner perms bytes nattch status
0x00000000 262144 pwl 600 67108864 2 dest
0x00000000 360449 pwl 600 524288 2 dest
------ Semaphore Arrays --------
key semid owner perms nsems
pwl@ubuntu:~$
2、创建新的 IPC namespace 并查看：
pwl@ubuntu:~$ sudo unshare --ipc
[sudo] password for pwl:
root@ubuntu:~#
root@ubuntu:~# ls -l /proc/$$/ns
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:55 cgroup -> 'cgroup:[4026531835]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:55 ipc -> 'ipc:[4026532643]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:55 mnt -> 'mnt:[4026531840]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:55 net -> 'net:[4026531993]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:55 pid -> 'pid:[4026531836]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:55 pid_for_children -> 'pid:[4026531836]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:55 user -> 'user:[4026531837]'
lrwxrwxrwx 1 root root 0 3月 14 10:55 uts -> 'uts:[4026531838]'
root@ubuntu:~# ipcs
------ Message Queues --------
key msqid owner perms used-bytes messages
------ Shared Memory Segments --------
key shmid owner perms bytes nattch status
------ Semaphore Arrays --------
key semid owner perms nsems
root@ubuntu:~#
2. 源码分析
2.1 copy_ipcs()
在进程创建或者 unshare()/setns() 系统调用时，如果设置了 CLONE_NEWIPC 标志会调用 copy_ipcs() 创建一个新的 IPC namespace。其中的核心是创建一个新的 struct ipc_namespace 结构，相当于创建了一个新的 XSI IPC 域：
copy_ipcs() → create_ipc_ns():
static struct ipc_namespace *create_ipc_ns(struct user_namespace *user_ns,
struct ipc_namespace *old_ns)
{
struct ipc_namespace *ns;
struct ucounts *ucounts;
int err;
err = -ENOSPC;
ucounts = inc_ipc_namespaces(user_ns);
if (!ucounts)
goto fail;
err = -ENOMEM;
/* (1) 分配新的ipc_namespace数据结构 */
ns = kmalloc(sizeof(struct ipc_namespace), GFP_KERNEL);
if (ns == NULL)
goto fail_dec;
err = ns_alloc_inum(&ns->ns);
if (err)
goto fail_free;
ns->ns.ops = &ipcns_operations;
refcount_set(&ns->count, 1);
ns->user_ns = get_user_ns(user_ns);
ns->ucounts = ucounts;
/* (2) 初始化信号量sem对应的idr池和一些参数 */
err = sem_init_ns(ns);
if (err)
goto fail_put;
/* (3) 初始化消息msg对应的idr池和一些参数 */
err = msg_init_ns(ns);
if (err)
goto fail_destroy_sem;
/* (4) 初始化共享内存shm对应的idr池和一些参数 */
err = shm_init_ns(ns);
if (err)
goto fail_destroy_msg;
/* (5) 初始化消息队列mq对应的一些参数 */
err = mq_init_ns(ns);
if (err)
goto fail_destroy_shm;
return ns;
}
2.2 ipcget()
三种 XSI IPC 的实现机制也是非常类似的，IPC namespace 提供了对应的3个 idr 池 ns->ids[3] ，每新建一个 XSI IPC 对象，会从对应的 idr 池中分配一个 key。
以信号量 sem 为例，来分析一下这个过程：
SYSCALL_DEFINE3(semget, key_t, key, int, nsems, int, semflg)
{
struct ipc_namespace *ns;
/* (1) 构造 ipc_ops 参数 */
static const struct ipc_ops sem_ops = {
.getnew = newary,
.associate = sem_security,
.more_checks = sem_more_checks,
};
struct ipc_params sem_params;
/* (2) 构造 ipc namespace 参数 */
ns = current->nsproxy->ipc_ns;
if (nsems < 0 || nsems > ns->sc_semmsl)
return -EINVAL;
/* (3) 构造 ipc_params 参数 */
sem_params.key = key;
sem_params.flg = semflg;
sem_params.u.nsems = nsems;
/* (4) 根据key查询已有的ipcp，或者创建新的ipcp */
return ipcget(ns, &sem_ids(ns), &sem_ops, &sem_params);
}
↓
ipcget() → ipcget_public()
↓
static int ipcget_public(struct ipc_namespace *ns, struct ipc_ids *ids,
const struct ipc_ops *ops, struct ipc_params *params)
{
struct kern_ipc_perm *ipcp;
int flg = params->flg;
int err;
/*
* Take the lock as a writer since we are potentially going to add
* a new entry + read locks are not "upgradable"
*/
down_write(&ids->rwsem);
/* (4.1) 根据key在信号量 idr 池 `ns->ids[IPC_SEM_IDS]`中查找对应的ipcp */
ipcp = ipc_findkey(ids, params->key);
if (ipcp == NULL) {
/* key not used */
if (!(flg & IPC_CREAT))
err = -ENOENT;
else
/* (4.2) 如果key对应的ipcp不存在，且设置了IPC_CREAT标志
则根据key创建一个新的ipcp
*/
err = ops->getnew(ns, params);
} else {
/* ipc object has been locked by ipc_findkey() */
if (flg & IPC_CREAT && flg & IPC_EXCL)
err = -EEXIST;
else {
err = 0;
/* (4.3) 如果key对应的ipcp存在，则针对参数进行第一步的检查 */
if (ops->more_checks)
err = ops->more_checks(ipcp, params);
if (!err)
/*
* ipc_check_perms returns the IPC id on
* success
*/
/* (4.4) ipcp存在，针对参数做第二步的权限检查 */
err = ipc_check_perms(ns, ipcp, ops, params);
}
ipc_unlock(ipcp);
}
up_write(&ids->rwsem);
return err;
}
↓
ops->getnew() → newary()
↓
static int newary(struct ipc_namespace *ns, struct ipc_params *params)
{
int retval;
struct sem_array *sma;
key_t key = params->key;
int nsems = params->u.nsems;
int semflg = params->flg;
int i;
if (!nsems)
return -EINVAL;
if (ns->used_sems + nsems > ns->sc_semmns)
return -ENOSPC;
/* (4.2.1) 分配nsems个信号量的数据结构sem_array[] */
sma = sem_alloc(nsems);
if (!sma)
return -ENOMEM;
/* (4.2.2) 初始化其中的ipcp成员，保存UGO模式，保存对应的key */
sma->sem_perm.mode = (semflg & S_IRWXUGO);
sma->sem_perm.key = key;
sma->sem_perm.security = NULL;
retval = security_sem_alloc(sma);
if (retval) {
kvfree(sma);
return retval;
}
for (i = 0; i < nsems; i++) {
INIT_LIST_HEAD(&sma->sems[i].pending_alter);
INIT_LIST_HEAD(&sma->sems[i].pending_const);
spin_lock_init(&sma->sems[i].lock);
}
sma->complex_count = 0;
sma->use_global_lock = USE_GLOBAL_LOCK_HYSTERESIS;
INIT_LIST_HEAD(&sma->pending_alter);
INIT_LIST_HEAD(&sma->pending_const);
INIT_LIST_HEAD(&sma->list_id);
sma->sem_nsems = nsems;
sma->sem_ctime = ktime_get_real_seconds();
/* ipc_addid() locks sma upon success. */
/* (4.2.3) 赋值 ipcp 中的 uid、gid
并将新分配的ipcp加入信号量 idr 池 `ns->ids[IPC_SEM_IDS]`中
*/
retval = ipc_addid(&sem_ids(ns), &sma->sem_perm, ns->sc_semmni);
if (retval < 0) {
call_rcu(&sma->sem_perm.rcu, sem_rcu_free);
return retval;
}
ns->used_sems += nsems;
sem_unlock(sma, -1);
rcu_read_unlock();
return sma->sem_perm.id;
}
↓
int ipc_addid(struct ipc_ids *ids, struct kern_ipc_perm *new, int limit)
{
kuid_t euid;
kgid_t egid;
int id, err;
if (limit > IPCMNI)
limit = IPCMNI;
if (!ids->tables_initialized || ids->in_use >= limit)
return -ENOSPC;
idr_preload(GFP_KERNEL);
refcount_set(&new->refcount, 1);
spin_lock_init(&new->lock);
new->deleted = false;
rcu_read_lock();
spin_lock(&new->lock);
/* (4.2.3.1) 获取当前进程的uid/gid，赋值给 ipcp 的相关成员，
类似文件的 `chown uid:gid ` 操作
*/
current_euid_egid(&euid, &egid);
new->cuid = new->uid = euid;
new->gid = new->cgid = egid;
id = ipc_idr_alloc(ids, new);
idr_preload_end();
/* (4.2.3.2) 加入信号量 idr 池 `ns->ids[IPC_SEM_IDS]`中 */
if (id >= 0 && new->key != IPC_PRIVATE) {
err = rhashtable_insert_fast(&ids->key_ht, &new->khtnode,
ipc_kht_params);
if (err < 0) {
idr_remove(&ids->ipcs_idr, id);
id = err;
}
}
if (id < 0) {
spin_unlock(&new->lock);
rcu_read_unlock();
return id;
}
ids->in_use++;
if (id > ids->max_id)
ids->max_id = id;
new->id = ipc_buildid(id, ids, new);
return id;
}
2.3 ipc_check_perms()
从上一节可以看到 key 被包含在 ipcp 即 struct kern_ipc_perm 结构中：
struct kern_ipc_perm {
spinlock_t lock;
bool deleted;
int id;
key_t key;
kuid_t uid;
kgid_t gid;
kuid_t cuid;
kgid_t cgid;
umode_t mode;
unsigned long seq;
void *security;
struct rhash_head khtnode;
struct rcu_head rcu;
refcount_t refcount;
} ____cacheline_aligned_in_smp __randomize_layout;
在 sem,shm,mq 对象中都有这个成员的存在：
struct sem_array {
struct kern_ipc_perm sem_perm; /* permissions .. see ipc.h */
...
}
struct shmid_kernel /* private to the kernel */
{
struct kern_ipc_perm shm_perm;
...
}
struct msg_queue {
struct kern_ipc_perm q_perm;
...
}
struct kern_ipc_perm 的 ->key 成员保存了key值；->mode 成员保存了 UGO 操作权限，类似文件的 chmod 777 属性；->uid/gid/cuid/cgid 成员保存了属主 uid/gid，类似文件的 chown uid:gid 操作。
在 ipc_check_perms() 函数中，会对被操作的 sem,shm,mq 对象，进行 UGO 权限检查：
ipc_check_perms() → ipcperms()
↓
int ipcperms(struct ipc_namespace *ns, struct kern_ipc_perm *ipcp, short flag)
{
kuid_t euid = current_euid();
int requested_mode, granted_mode;
audit_ipc_obj(ipcp);
/* (1) 或 请求的 UGO 操作 */
requested_mode = (flag >> 6) | (flag >> 3) | flag;
/* (2) 获取 ipcp 的 UGO 规则 */
granted_mode = ipcp->mode;
/* (2.1) 如果当前进程 和 ipcp 对象 uid 相等，则取用 U 规则 */
if (uid_eq(euid, ipcp->cuid) ||
uid_eq(euid, ipcp->uid))
granted_mode >>= 6;
/* (2.2) 如果当前进程 和 ipcp 对象 gid 相等，则取用 G 规则 */
else if (in_group_p(ipcp->cgid) || in_group_p(ipcp->gid))
granted_mode >>= 3;
/* (2.3) 如果当前进程 和 ipcp 对象 uid gid 都不相等，则取用 O 规则 */
/* is there some bit set in requested_mode but not in granted_mode? */
/* (3) 判断请求的操作是否适配对应的规则 */
if ((requested_mode & ~granted_mode & 0007) &&
!ns_capable(ns->user_ns, CAP_IPC_OWNER))
return -1;
return security_ipc_permission(ipcp, flag);
}
2.4 相关系统调用
sem,shm,mq 对象通用部分的解析如上所示，除此以外 XSI IPC 还有其他的操作系统调用，这里就不一一解析：
| Module | Syscall | Descript |
|---|---|---|
| sem | semget() | 创建信号量 |
| - | semctl() | 初始化信号量 |
| - | semop() | 信号量的PV操作 |
| msg | msgget() | 创建消息队列 |
| - | msgctl() | 获取和设置消息队列的属性 |
| - | msgsnd() | 将消息写入到消息队列 |
| - | msgrcv() | 从消息队列读取消息 |
| shm | shmget() | 创建共享内存对象 |
| - | shmctl() | 共享内存管理 |
| - | shmat() | 把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间 |
| - | shmdt() | 断开共享内存连接 |
参考文档：
1.ipc_namespace
2.Linux内核命名空间之（2） ipc namespace
3.linux进程间通信（IPC）机制总结
4.POSIX:XSI Interprocess Communication
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