GitHub: https://github.com/storagezhang

Emai: debugzhang@163.com

本文为《UNIX 环境高级编程》第 6 章学习笔记

所有 UNIX 系统都使用口令文件和组文件。我们说明了读这些文件的各种函数。

本章也介绍了阴影口令，它可以增加系统的安全性。

附属组 ID 提供了一个用户同时可以参加多个组的方法。

我们还介绍了大多数系统所提供的访问其他与系统有关数据文件的类似函数。

我们讨论了几个 POSIX.1 的系统标识函数，应用程序使用它们以标识它在何种系统上运行。

最后，说明了 ISO C 和 Single UNIX Specification 提供的与时间和日期有关的一些函数。

6.1 引言

UNIX 系统的正常运作需要使用大量与系统有关的数据文件

• 由于历史原因，这些数据文件都是 ASCII 文本文件。
• 我们使用标准 I/O 库读这些文件。

但是对于较大的系统，顺序扫描口令文件很花费时间，我们需要能够以非 ASCII 文本格式存放这些文件，但仍向使用其他文件格式的应用程序提供接口。

6.2 口令文件

口令文件 /etc/passwd 是一个 ASCII 文件，每一行包含下表所示的各字段，字段之间用冒号分隔。这些字段包含在 <pwd.h> 中定义的 passwd 结构中：

说明	struct passwd 成员
用户名	char *pw_name
加密口令	char *pw_passwd
数值用户 ID	uid_t pw_uid
数值组 ID	gid_t pw_gid
注释字段	char *pw_gecos
初始工作目录	char *pw_dir
初始 shell（用户程序）	char *pw_shell
用户访问类	char *pw_class
下次更改口令时间	time_t pw_change
账户有效期时间	time_t pw_expire

关于口令文件：

• 通常有一个用户名为 root 的登录项，其用户 ID 是0。
• 加密口令字段包含了一个占位符，现在将加密口令字存放在另一个文件中。
• 口令文件项中的某些字段可能是空。
  • 如果加密口令字段为空，说明该用户没有口令。
  • 如果注释字段为空，不会产生任何影响。
• shell 字段包含了一个可执行程序名，它被用作该用户的登录 shell。
  • 若该字段为空，则取系统默认值，通常是 /bin/sh。
  • 若该字段为 /dev/null，则说明这是一个设备，不是可执行文件，将其用于此处的目的是，阻止任何人以该用户的名义登录到该系统。
• 为了阻止一个特定用户登录系统，除使用 /dev/null 外，还有若干种替代方法。
  • 常见的一种是将 /bin/false 用作登录 shell。
  • 另一种是用 /bin/true 禁止一个账号。
• 使用 nobody 用户名可以使任何人都可登录至系统，但其用户 ID 和组 ID 不提供任何特权。
  • 该用户 ID 和组 ID 只能访问人人皆可读、写的文件。
• 提供 finger(1) 命令的某些 UNIX 系统支持注释字段中的附加信息。

POSIX.1 定义了两个获取口令文件项的函数。在给出用户登录名或数值用户 ID 后，这两个函数就能查到相关项：

#include <pwd.h>

struct passwd *getpwuid(uid_t uid);
struct passwd *getpwnam(const char *name);
// 返回值：若成功，返回指针；若出错，返回 NULL

参数：

• uid：用户 ID
• name：用户名

这两个函数都返回一个指向 passwd 结构的指针，该结构已由这两个函数在执行时填入信息。passwd 结构通常是函数内部的静态变量，只要调用任一相关函数，其内容就会被重写。

如果要查看整个口令文件，下列 3 个函数可用于此种目的：

#include <pwd.h>

struct passwd *getpwent(void);
// 返回值：若成功，返回指针；若出错或到达文件尾端，返回 NULL

void setpwent(void);
void endpwent(void);

区别：

• 调用 getpwent 时，它返回口令文件中的下一个记录项。
  • 如同上面所述的两个函数一样，它返回一个由它填写好的 passwd 结构的指针，每次调用此函数时都重写该结构。
  • 在第一次调用该函数时，它打开它所使用的各个文件。
• 函数 setpwent 用来将 getpwent 的读写地址指向密码文件开头，endpwent 则关闭这些文件。
  • 在使用 getpwent 查看玩口令文件后，一定要调用 endpwent 关闭这些文件。
  • getpwent 知道什么时间应当打开它所使用的文件（第一次被调用时），但是它并不知道何时关闭这些文件。

6.3 阴影口令

加密口令是经单向加密算法处理过的用户口令副本。因为此算法是单向的，所以不能从加密口令猜测到原来的口令。

对于一个加密口令，找不到一种算法可以将其反变换到明文口令（明文口令是在 Password: 提示后键入的口令）。但是可以对口令进行猜测，将猜测的口令经单向算法变换成加密形式，然后将其与用户的加密口令相比较。

• 如果用户口令是随机选择的，那么这种方法并不是很有效。

为使企图这样做的人难以获得原始资料（加密口令），现状，某些系统将加密口令存放在另一个通常称为阴影口令的文件中（/etc/shadow），该文件至少要包含用户名和加密口令。与该口令相关的其他信息也可存放在该文件中：

说明	struct spwd 成员
用户登录名	char *sp_namp
加密口令	char *sp_pwdp
上次更改口令以来经过的时间	int sp_lstchg
经多少天后允许更改	int sp_min
要求更改尚余天数	int sp_max
超期警告天数	int sp_warn
账户不活动之前尚余天数	int sp_inact
账户超期天数	int sp_expire
保留	unsigned int sp_flag

只有用户登录名和加密口令这两个字段是必需的，其他的字段控制口令更改的频率，或者说口令的衰老以及账户仍然处于活动状态的时间。

阴影口令文件不应该是一般用户可以读取的

• 仅有少数几个程序需要访问加密口令，如 login(1) 和 passwd(1)。
  • 这些程序常常是设置用户 ID 为 root 的程序。
• 普通口令文件 /etc/passwd 可由各用户自由读取。

与访问口令文件的一组函数相类似，有另一组函数可用于访问阴影口令文件：

#include <shadow.h>

struct spwd *getspnam(const char *name);
struct spwd *getspent(void);
// 返回值：若成功，返回指针；若出错或到达文件尾端，返回 NULL

void setspend(void);
void endspent(void);

6.4 组文件

UNIX 组文件包含下列字段，这些字段包含在 <grp.h> 中所定义的 group 结构中。

说明	struct group 成员
组名	char *gr_name
加密口令	char *gr_passwd
数值组 ID	int gr_gid
指向各用户名指针的数组	char **gr_mem

字段 gr_mem 是一个指针数组，其中每个指针指向一个属于该组的用户名，该数组以 null 指针结尾。

可以用下列两个由 POSIX.1 定义的函数来查看组名或数值组 ID：

#include <grp.h>

struct group *getgrgid(git_t gid);
struct group *getgrnam(const char *name);
// 返回值：若成功，返回指针；若出错，返回 NULL

参数：

• gid：组 ID
• name：组名

如同对口令文件进行操作的函数一样，这两个函数通常也返回指向一个静态变量的指针，在每次调用时都重写该静态变量。

如果需要搜索整个组文件，则须使用下列 3 个函数：

#include<grp.h>
struct group *getgrent(void);
// 返回值：若成功，返回指针；若出错或到达文件尾端，返回 NULL
void setgrent(void);
void endgrent(void);

区别：

• setgrent 函数打开组文件（如若它尚未打开）并反饶它。
• getgrent 函数从组文件中读下一个记录，如若该文件尚未打开，则先打开它。
• endgrent 函数关闭组文件。

6.5 附属组 ID

附属组 ID 是 POSIX.1 要求的特性。常量 NGROUPS_MAX 规定了附属组 ID 的数量，其常用值是 16。

使用附属组 ID 的优点是不必再显式地经常更改组。一个用户会参与多个项目，因此也就要同时属于多个组。

为了获取和设置附属组 ID，提供了下列 3 个函数：

#include <unistd.h>
int getgroups(int gidsetsize, gid_t grouplist[]);
// 返回值：若成功，返回附属组 ID 数量；若出错，返回 -1

#include <grp.h> /* on Linux */
#include <unistd.h> /* on FreeBSD, Mac OS X, and Solaris */
int setgroups(int ngroups, const gid_t grouplist[]);

#include<grp.h>    	/* on Linux and Solaris */
#include<unistd.h>	/* on FreeBSD and Mac OS X */
int initgroups(const char *username, gid_t basegid);
// 返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

功能：

• getgroups 将进程所属用户的各附属组 ID 填写到数组 grouplist 中，填写入该数组的附属组 ID 数最多为 gidsetsize 个，实际填写到数组中的附属组 ID 数由函数返回。
  • 如若 gidsetsize = 0，则函数只返回附属组 ID 数，而对 grouplist 则不做修改。
• setgroups 可由超级用户调用以便为调用进程设置附属组 ID 表。
  • grouplist 是组 ID 数组。
  • ngroups 说明了数组中的元素数，其值不能大于 NGROUPS_MAX。
• 通常，只有 initgroups 函数调用 setgroups，initgroups 读整个组文件（getgrent、setgrent 和 endgrent），然后对 username 确定其组的成员关系。然后，它调用 setgroups，以便为该用户初始化附属组 ID 表。
  • 因为 initgroups 要调用 setgroups，所以只有超级用户才能调用 initgroups。

6.7 其他数据文件

一般情况下，对于每个数据文件至少有 3 个函数：

• get 函数：读下一个记录，如果需要，还会打开该文件。
  • 此种函数通常返回指向一个结构的指针。
  • 当已到达文件尾端时返回空指针。
  • 大多数 get函数返回指向一个静态存储类结构的指针，如果需要保存其内容，则需要复制它。
• set 函数：打开相应数据文件（如果尚未打开），然后反绕该文件。
  • 如果希望在相应文件起始处开始处理，则调用该函数。
• end函数：关闭相应数据文件。
  • 在结束了对相应数据文件的读、写操作后，总应该调用此函数以关闭所有相关文件。

另外，如果数据文件支持某种形式的键搜索，则也提供搜索具有指定键的记录的例程。

下表中列出了 UNIX 常用的数据文件：

说明	数据文件	头文件	结构	附加的键搜索函数
口令	/etc/passwd	<pwd.h>	passwd	getpwnam、getpwuid
组	/etc/group	<grp.h>	group	getgrnam、getgrgid
阴影	/etc/shadow	<shadow.h>	spwd	getspnam
主机	/etc/hosts	<netdb.h>	hostent	getnameinfo、getaddrinfo
网络	/etc/networks	<netdb.h>	netent	getnetbyname、getnetbyaddr
协议	/etc/protocols	<netdb.h>	protoent	getprotobyname、getprotobynumber
服务	/etc/services	<netdb.h>	servent	getservbyname、getservbyport

6.8 登录账户记录

大多数 UNIX 系统都提供下列两个数据文件：

• utmp 文件：记录当前登录到系统的各个用户。
• wtmp 文件：跟踪各个登录和注销事件。

在 V7 中，每次写入这两个文件中的是包含下列结构的一个二进制记录：

struct utmp {
    char ut_line[8];	/* tty line: "ttyh0", "ttyd0", "ttyp0", ... */
    char ut_name[8];	/* login name */
    long ut_time;		/* seconds since Epoch */
};

• 登录时，login 程序填写此类型结构，然后将其写入到 utmp 文件中，同时也将其添写到 wtmp 文件中。
• 注销时，init 进程将 utmp 文件中相应的记录擦除（每个字节都填写 null 字节），并将一个新的记录添写到 wtmp 文件中。
  • 在 wtmp 文件的注销记录中，ut_name 字段清除为 0。
• 在系统重启时，以及更改系统时间和日期的前后，都将在 wtmp 文件中追加写特殊的记录项。
• who 程序读取 utmp 文件，并以可读格式打印其内容。
• last 程序读取 wtmp 文件，并打印所选择的记录。
• 在 Linux 系统中，这两个文件的路径是 /var/run/utmp 以及 /var/log/wtmp。

6.9 系统标识

POSIX.1 定义了 uname 函数，它返回与主机和操作系统有关的信息：

#include <sys/utsname.h>

int uname(struct utsname *name);
// 返回值：若成功，返回非负值；若出错，返回 -1

通过该函数的参数向其传递一个 utsname 结构的地址，然后该函数填写此结构。

• POSIX.1 只定义了该结构中最少需要提供的字段（都是字符数组），每个数组的长度由实现确定。

• 某些操作系统会在该结构中提供了另外一些字段：

  • struct utsname {
        char sysname[];		/* name of the operating system */
        char nodename[];	/* name of this node */
        char release[];		/* current release of operating system */
        char version[];		/* current version of this release */
        char machine[];		/* name of hardware type */
    };
    

  • 每个字符串都以 null 字节结尾。

  • utsname 结构中的信息通常可用 uname(1) 命令打印。

gethostname 函数只返回主机名，该名字通常就是 TCP/IP 网络上主机的名字：

#include <unistd.h>

int gethostname(char *name, int namelen);
// 返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

参数：

• name：放置主机名字符串的缓冲区
• namelen：name 缓冲区的长度
  • 如果提供足够的空间，则通过 name 返回的字符串以 null 结尾；
  • 如果没有提供足够的空间，则没有说通过 name 返回的字符串是否以 null 结尾。

hostname 命令可用来获取和设置主机名。

主机名通常在系统自举时设置，它由 /etc/rc 或 init 取自一个启动文件。

6.10 时间和日期例程

UNIX 内核提供的基本时间服务是计算自协调世界时（UTC，1970-01-01 00:00:00）这一特定时间以来经过的秒数。

• 这个时间称作日历时间
• 用数据类型 time_t 表示
• 日历时间包括时间和日期
• UNIX 在这方面与其他操作系统的区别是：
  • 以协调统一时间而非本地时间计时；
  • 可自动进行转换，如变换到夏令时；
  • 将时间和日期作为一个量值保存。

各个时间函数之间的关系：

图中用虚线表示的 3 个函数受到环境变量 TZ 的影响：

• 如果定义了 TZ，则这些函数将使用其值代替系统默认时区。
• 如果 TZ 为空，则使用协调统一时间 UTC

time 函数返回当前时间和日期：

#include <time.h>

time_t time(time_t *calptr);
// 返回值：若成功，返回时间值；若出错，返回 -1

时间值作为函数值返回，如果参数非空，则时间值也存放在由 calptr 指向的单元内。

时钟通过 clockid_t 类型进行标识：

标识符	选项	说明
CLOCK_REALTIME		实时系统时间
CLOCK_MONOTONIC	_POSIX_MONOTONIC_CLOCK	不带负跳数的实时系统时间
CLOCK_PROCESS_CPUTIMME_ID	_POSIX_CPUTIME	调用进程的 CPU 时间
CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID	_POSIX_THREAD_CPUTIME	调用线程的时间

clock_gettime 函数可用户获取指定时钟的时间：

#include <sys/time.h>

int clock_gettime(clockid_t clock_id, struct timespec *tsp);
// 返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

参数：

• clockid_id：时钟类型
• tsp：存放获取时间的 timespec 结构（它把时间表示为秒和纳秒）的指针

clock_getres 函数把参数 tsp 指向的 timespec 结构初始化为与 clock_id 参数对应的时钟精度：

#include <sys/time.h>

int clock_getres(clockid_t clock_id, struct timespec *tsp);
// 返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

要对特定的时钟设置时间，可以调用 clock_settime 函数：

#include <sys/time.h>

int clock_settime(clockid_t clock_id,const struct timepsec *tsp);
// 返回值：若成功，返回 0；若出错，返回 -1

• 我们需要适当的特权来更改时钟值
• 有些时钟是不能修改的

gettimeofday 函数相比 time 函数，提供了更高的精度（已被弃用）：

#include <sys/time.h>

int gettimeofday(struct timeval *restrict tp,void *restrict tzp);
// 返回值：总是返回 0

参数：

• tp：存放当前时间的 timeval 结构（将当前时间表示为秒和微秒）的指针
• tzp：唯一合法值是 NULL。其他值都将产生不确定的结果。

tm 结构：

struct tm {			/* a broken-down time */ 
    int tm_sec;		/* seconds after the minute: [0 - 60] */ 
    int tm_min; 	/* minutes after the hour: [0 - 59] */ 
    int tm_hour; 	/* hours after midnight: [0 - 23] */ 
    int tm_mday; 	/* day of the month: [1 - 31] */ 
    int tm_mon;		/* months since January: [0 - 11] */ 
    int tm_year; 	/* years since 1900 */ 
    int tm_wday; 	/* days since Sunday: [0 - 6] */ 
    int tm_yday; 	/* days since January 1: [0 - 365] */ 
    int tm_isdst;	/* daylight saving time flag: <0, 0, >0 */
};

其中：

• 秒可以超过 60 的理由是可以表示闰秒。
• 除了月日字段，其他字段的值都以 0 开始。
• 如果夏令时生效，则夏令时标志值为正；如果为非夏令时时间，则该标志值为 0；如果此信息不可用，则其值为负。

两个函数 localtime 和 gmtime 将日历时间转换成分解的时间：

#include <time.h>

struct tm *gmtime(const time_t *calptr);
struct tm* localtime(const time_t *calptr);
// 返回值：若成功，返回指向分解的 tm 结构的指针；若出错，返回 NULL

区别：

• localtime 将日历时间转换成本地实际（考虑本地时区和夏令时标志）
  • 由 TZ 环境变量指定
• gmtime 将日历时间转换成协调统一时间的年、月、日、时、分、秒、周日分解结构。

参数：

• calptr：指向日历时间的指针

函数 mktime 以本地时间的年、月、日等作为参数，将其变换成 time_t 值：

#include<time.h>

time_t mktime(struct tm *tmptr);
// 返回值：若成功，返回日历时间；若出错，返回 -1

参数：

• tmptr：指向 struct tm 结构的指针

函数 strftime 是一个类似于 printf 的时间值函数。它非常复杂，可以通过可用的多个参数来定制产生的字符串：

#include<time.h>

size_t strftime(char *restrict buf, 
                size_t maxsize,
                const char *restrict format,
                const struct tm *restrict tmptr);

size_t strftime_l(char *restrict buf,
                  size_t maxsize,
                  const char *restrict format,
                  const struct tm *restrict tmptr,
                  locale_t locale);
// 返回值：若有空间，返回存入数组的字符数；否则，返回 0

参数：

• buf：存放格式化后的时间字符串的缓冲区的地址
  • 如果 buf 长度足以存放格式化结果以及一个 null 终止符，则该函数返回在 buf 中存放的字符数（不包括 null 终止符）；否则该函数返回 0。
• maxsize：存放格式化后的时间字符串的缓冲区的大小
• format：控制时间值的格式

• tmptr：存放时间的 struct tm 结构的指针
• locale：指定的区域

strptime 函数是 strftime 的逆向版本，它把字符串时间转换成分解时间：

#include<time.h>

char *strptime(const char *restrict buf,
               const char *restrict format,
               struct tm *restrict tmptr);
// 返回值：若成功，指向上次解析的字符的下一个字符的指针；否则，返回 NULL

参数：

• buf：存放已经格式化的时间字符串的缓冲区的地址
• format：给出了 buf 缓冲区中的格式化时间字符串的格式
  • 与 strftime 函数的说明稍有不同

• tmptr：存放时间的 struct tm 结构的指针