导言 在 Linux 系统编程中，进程间通信（IPC）是核心课题。传统 IPC 机制如管道、消息队列和共享内存各有优势，但在高性能服务器、分布式系统等场景下存在局限，亟需更灵活的通信方式。
一、文件描述符传输的原理 文件描述符作为进程私有资源标识，无法直接跨进程传递。因为不同进程的文件描述符表相互独立，同一数值在不同进程中可能指向不同资源。例如父进程中文件描述符 3 指向网络套接字，直接传递数值 3 给子进程，子进程的 3 可能指向标准输入。因此，需借助 Unix 域套接字等专门 IPC 机制传递。
在 Linux 中，文件描述符是进程访问 I/O 资源的抽象句柄，默认具有进程私有性。而在高并发服务器、分布式文件系统等场景下，传递文件描述符能提升资源复用与协作效率。其实现核心是利用 Linux 辅助数据机制，常通过 socketpair 创建 UNIX 域套接字，配合 sendmsg 和 recvmsg 系统调用完成。
二、代码实现分析 伪代码部分扩展
为了更清晰地展示文件描述符传输的核心逻辑，以下通过伪代码对关键函数SendFd和RecvFd进行流程拆解，并补充更直观的主程序调用逻辑。
SendFd函数伪代码
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 函数 SendFd(sockfd, fdtosend) // 初始化消息头结构体 声明 msghdr 结构体 hdr 清空 hdr 内容 // 定义并初始化数据缓冲区 声明数据缓冲区 buf，内容为 "Tell my monther" 声明 iovec 结构体数组 iov，长度为 1 设置 iov[0].iov_base 指向 buf 设置 iov[0].iov_len 为 buf 的长度 设置 hdr.msg_iov 指向 iov 设置 hdr.msg_iovlen 为 1 // 分配并配置辅助数据结构体 动态分配 cmsghdr 结构体空间 pmsg，长度为 CMSG_LEN(sizeof(int)) 设置 pmsg.cmsg_len 为 CMSG_LEN(sizeof(int)) 设置 pmsg.cmsg_level 为 SOL_SOCKET 设置 pmsg.cmsg_type 为 SCM_RIGHTS 将待发送的文件描述符 fdtosend 写入辅助数据区域 // 关联辅助数据到消息头 设置 hdr.msg_control 指向 pmsg 设置 hdr.msg_controllen 为辅助数据长度 // 发送消息 调用 sendmsg(sockfd, &hdr, 0) 发送消息 检查 sendmsg 函数返回值，若失败抛出错误 返回 0
RecvFd函数伪代码
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 函数 RecvFd(sockfd, pfdtorecv) // 初始化消息头结构体 声明 msghdr 结构体 hdr 清空 hdr 内容 // 定义并初始化接收缓冲区 声明接收缓冲区 buf，长度为 1024 并初始化为 0 声明 iovec 结构体数组 iov，长度为 1 设置 iov[0].iov_base 指向 buf 设置 iov[0].iov_len 为 1024 设置 hdr.msg_iov 指向 iov 设置 hdr.msg_iovlen 为 1 // 分配并配置辅助数据结构体 动态分配 cmsghdr 结构体空间 pmsg，长度为 CMSG_LEN(sizeof(int)) 设置 pmsg.cmsg_len 为 CMSG_LEN(sizeof(int)) 设置 pmsg.cmsg_level 为 SOL_SOCKET 设置 pmsg.cmsg_type 为 SCM_RIGHTS // 关联辅助数据到消息头 设置 hdr.msg_control 指向 pmsg 设置 hdr.msg_controllen 为辅助数据长度 // 接收消息 调用 recvmsg(sockfd, &hdr, 0) 接收消息 检查 recvmsg 函数返回值，若失败抛出错误 // 提取文件描述符 从辅助数据区域提取文件描述符，赋值给 *pfdtorecv 返回 0
头文件
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 #include <my_header.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <sys/socket.h> #include <sys/types.h> #include <sys/wait.h> enum { FREE, BUSY }; typedef struct workerData_s { pid_t pid; int status; } workerData_t; int MakeWorker(const int workernum, workerData_t *workaddr); //使用sendmsg和recvmsg进行进程间文件描述符的传输 //需要管道来实现通信 管道一条可以实现全双工 //无法单纯使用管道来通信（无法传输文件描述符指向的对象） 所以使用函数socketpair int SendFd(int sockfd, int fdtosend); int RecvFd(int sockfd, int *pfdtorecv);
上述代码片段定义了关键数据结构与函数原型。其中，workerData_t结构体用于管理工作进程的进程 ID 与运行状态信息；SendFd和RecvFd函数则构成文件描述符传输功能的核心实现。以下对宏定义及关键函数进行详细阐释：
宏定义详解
FREE与 BUSY：通过enum枚举类型定义，用于标识工作进程的运行状态。其中，FREE表示进程处于空闲状态，可接收新任务；BUSY则表示进程正在处理任务。在多进程服务器架构中，主进程可依据该状态信息，合理调度并分配新连接至空闲进程。
CMSG_LEN：该宏用于计算辅助数据的长度。在文件描述符传输过程中，需借助辅助数据携带描述符信息。例如，CMSG_LEN (sizeof(int))可准确计算传递单个int类型文件描述符所需的辅助数据空间，确保cmsghdr结构体能够分配足够内存存储相关信息。
三、recvmsg函数参数详解 recvmsg函数原型为ssize_t recvmsg (int sockfd, struct msghdr *msg, int flags)，用于从套接字sockfd接收消息。下面对其参数进行详细讲解：
sockfd：表示用于接收消息的套接字描述符，该套接字可以是流套接字（如SOCK_STREAM）或数据报套接字（如SOCK_DGRAM），并且通常是通过socket函数创建、accept函数接收，或在进程间文件描述符传输场景中，使用ocketpair函数创建的 UNIX 域套接字，该类型套接字能有效支持控制信息（如文件描述符）的传递。
msg：指向一个msghdr结构体，该结构体用于存储接收到的消息的具体内容、辅助数据以及相关控制信息，其定义如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 struct msghdr { void *msg_name; /* 可选的源地址指针，对于无连接套接字（如SOCK_DGRAM），接收时可获取发送方地址；对于面向连接套接字（如SOCK_STREAM），通常设为NULL */ socklen_t msg_namelen; /* msg_name指针指向地址的长度 */ struct iovec *msg_iov; /* 指向iovec结构体数组的指针，用于分散 - 聚集I/O，存储消息的实际数据部分 */ int msg_iovlen; /* iovec结构体数组中的元素个数 */ void *msg_control; /* 指向辅助数据（控制信息）的指针，如在传递文件描述符时，辅助数据用于携带文件描述符信息 */ socklen_t msg_controllen; /* 辅助数据的长度 */ int msg_flags; /* 消息标志，通常设为0，可用于设置如MSG_OOB等特殊标志 */ };
msg_name和 msg_namelen：因为连接已建立，源地址已知，所以这两个字段通常设置为NULL和0 。msg_iov和 msg_iovlen：msg_iov指向iovec结构体数组，iov_base指向数据缓冲区的起始地址，iov_len表示缓冲区的长度。msg_iovlen则表示msg_iov数组中元素的个数，通过这种方式可以实现分散 - 聚集 I/O，即一次接收多个不连续内存区域的数据。在文件描述符传输示例中，msg_iov数组通常只包含一个元素，用于接收普通数据（但普通数据并非传输核心，文件描述符才是关键）。msg_control和 msg_controllen：msg_control指向辅助数据的起始地址，在接收文件描述符时，辅助数据中会包含文件描述符信息；msg_controllen则指定辅助数据的长度，通常通过CMSG_LEN宏来计算，确保能够正确容纳文件描述符等控制信息。msg_flags：用于设置接收消息时的额外选项，常见标志如MSG_OOB（接收带外数据）、MSG_DONTWAIT（非阻塞操作）等，在一般的文件描述符传输场景中，该参数通常设置为0 ，表示使用默认行为。flags：该参数用于指定接收消息时的额外选项，常见取值如MSG_DONTWAIT（使操作非阻塞）、MSG_OOB（接收带外数据）等。在进行文件描述符接收时，通常将flags设为0，即采用默认的阻塞式接收方式，以确保消息可靠接收。
在RecvFd函数中，使用recvmsg接收文件描述符的具体步骤如下：
初始化msghdr结构体hdr，并配置iovec结构体数组，用于接收普通数据（示例中预分配了足够空间的缓冲区，但普通数据并非传输核心，文件描述符才是关键）。
通过malloc动态分配cmsghdr结构体空间，并设置其成员：
cmsg_len：利用CMSG_LEN宏计算辅助数据长度；
cmsg_level：设置为SOL_SOCKET，表明控制信息与套接字相关；
cmsg_type：设置为SCM_RIGHTS，该类型专门用于在 Linux 中传递文件描述符；
接收时，通过CMSG_DATA(pmsg)从辅助数据的实际存储区域提取文件描述符。
将cmsghdr指针赋值给msghdr的msg_control成员，设置msg_controllen为辅助数据长度，最后调用recvmsg函数接收消息，完成文件描述符接收。
四、接发函数实现 sendmsg函数原型为ssize_t sendmsg (int sockfd, const struct msghdr *msg, int flags)，其功能是在指定套接字sockfd上发送消息。在SendFd函数中，使用sendmsg发送文件描述符的流程如下：
初始化msghdr结构体hdr及iovec结构体数组，用于发送数据；
分配并配置cmsghdr结构体，确保msg_len、cmsg_level和cmsg_type正确，通过SCM_RIGHTS类型设置辅助数据携带文件描述符；
将待发送的文件描述符写入辅助数据区域，通过sendmsg函数发送消息，实现文件描述符传递。
以下是具体的发送和接收函数实现：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 #include "head.h" int SendFd(int sockfd, int fdtosend) { struct msghdr hdr; bzero(&hdr, sizeof(hdr)); char buf[] = "Tell my monther"; struct iovec iov[1]; iov->iov_base = buf; iov->iov_len = 15; hdr.msg_iov = iov; hdr.msg_iovlen = 1; struct cmsghdr *pmsg = (struct cmsghdr*)malloc(CMSG_LEN(sizeof(int))); pmsg->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(int)); pmsg->cmsg_level = SOL_SOCKET; pmsg->cmsg_type = SCM_RIGHTS; *(int*)CMSG_DATA(pmsg) = fdtosend; hdr.msg_control = pmsg; hdr.msg_controllen = CMSG_LEN(sizeof(int)); int ret = sendmsg(sockfd, &hdr, 0); ERROR_CHECK(ret, -1, "sendmsg"); return 0; }
SendFd函数通过sendmsg实现文件描述符发送，其核心在于正确配置msghdr结构体，特别是利用cmsghdr结构体设置辅助数据，通过SCM_RIGHTS类型完成文件描述符传递。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 #include "head.h" int RecvFd(int sockfd, int *pfdtorecv) { struct msghdr hdr; bzero(&hdr, sizeof(hdr)); char buf[1024] = {0}; struct iovec iov[1]; iov->iov_base = buf; iov->iov_len = 1024; hdr.msg_iov = iov; hdr.msg_iovlen = 1; struct cmsghdr *pmsg = (struct cmsghdr*)malloc(CMSG_LEN(sizeof(int))); pmsg->cmsg_len = CMSG_LEN(sizeof(int)); pmsg->cmsg_level = SOL_SOCKET; pmsg->cmsg_type = SCM_RIGHTS; //传文件对象 hdr.msg_control = pmsg; hdr.msg_controllen = CMSG_LEN(sizeof(int)); int ret = recvmsg(sockfd, &hdr, 0); ERROR_CHECK(ret, -1, "sendmsg"); printf("buf == %s, fdtorecv == %d\n", buf, *(int*)CMSG_DATA(pmsg)); *pfdtorecv = *(int*)CMSG_DATA(pmsg); return 0; }
RecvFd函数通过recvmsg接收文件描述符，通过与发送端一致的msghdr结构配置，从辅助数据中准确提取文件描述符，确保接收的描述符与发送端指向同一文件对象。
主程序示例展示了上述功能的调用过程：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 #include "head.h" int main(int argc, char *argv[]) { int fds[2]; socketpair(AF_LOCAL, SOCK_STREAM, 0, fds); //父程序 if (fork()) { close(fds[0]); int fd = open("chat.txt", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0775); ERROR_CHECK(fd, -1, "open"); printf("Father fd == %d\n", fd); write(fd, "Tell my monther", sizeof("Tell my monther")); SendFd(fds[1], fd); wait(NULL); } else { close(fds[1]); int fd = -1; RecvFd(fds[0], &fd); printf("childfd == %d\n", fd); ssize_t wret = write(fd, ", I am Ok!", sizeof("I am Ok!")); ERROR_CHECK(fd, -1, "RecvFd"); ERROR_CHECK(wret, -1, "write"); } return 0; }
主程序通过socketpair创建一对 UNIX 域套接字，并利用fork系统调用生成子进程。父进程首先打开文件并写入数据，随后通过套接字将文件描述符发送给子进程；子进程接收描述符后，直接向同一文件追加内容。尽管父子进程中的文件描述符数值可能不同（如父进程为 3，子进程为 4），但二者指向相同的文件对象，从而实现跨进程的文件协同操作。
五、编译指令分析 以下是该程序的 Makefile 编译规则：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 server: main.o recv.o send.o gcc main.o recv.o send.o -o server -lpthread main.o: main1.c gcc -c main1.c -o main.o -g -Wall send.o: send.c gcc -c send.c -o send.o -g -Wall recv.o: recv.c gcc -c recv.c -o recv.o -g -Wall
该 Makefile 定义了完整的编译流程：
