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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