UNIX环境高级编程 学习笔记 第六章 系统数据文件和信息

UNIX系统口令文件（POSIX.1称其为用户数据库）包含以下字段，这些字段也包含在头文件pwd.h中定义的passwd结构中：

由于历史原因，口令文件/etc/passwd是一个ASCII文件，其中的每行都包含以上各字段，字段之间用冒号分隔。

/etc/passwd文件的例子：

有关口令文件的登录项的注意点：
1.通常有一个用户名为root的登录项，用户ID为0，是超级用户。

2.加密口令字段是一个占位符x，较早期的UNIX系统版本中，该字段存放加密后的密码，但将加密后的密码放在一个人人可读的文件中是一个安全漏洞，所以现在将加密口令放在另一个文件中。

3.某些字段可能为空（连续两个冒号表示两个冒号之间的字段为空）。如加密口令字段为空，则用户没有口令。注释字段为空没有任何影响，如上图的squid登录项。

4.shell字段包含一个可执行程序名，它被用作该用户的登录shell，此字段为空时，默认值为/bin/sh。用户squid的登录项的shell字段为/dev/null，这是一个设备而非可执行文件，目的是阻止任何人以用户squid登录到系统。

5.shell字段填为/bin/false时也可阻止特定用户登录系统，它简单地直接以不成功（非0）状态终止；shell字段也可填为/bin/true来阻止特定用户登录，它直接以成功（0）状态终止。某些系统提供nologin命令，它打印可定制的出错信息，然后以非0状态终止。

6.nobody用户在系统中被特别设计用于运行一些服务或进程，而不是为了与用户交互，它的用户ID（65534）和组ID（65534）不提供任何特权。该用户ID和组ID只能访问人人都可读写的文件（假设用户65534和组65534不拥有任何文件，实际就应该如此）。

7.提供finger命令的某些UNIX系统支持返回注释字段中的附加信息给调用者，finger命令要求注释字段按顺序包含各部分内容：用户姓名、办公室地点、办公室电话号、家庭电话号，各部分之间用逗号分隔，如果注释字段中的用户姓名字段是一个&，则它会被替换为登录名：

注释字段只是一个注释，不由系统实用程序解释。

某些系统提供vipw命令，允许管理员通过此命令编辑口令文件，此命令用于编辑/etc/passwd和/etc/shadow文件，这两个文件分别存储了系统用户和密码的信息，它以一个安全的方式来修改系统用户的密码和其他信息，因为它会在编辑时锁定这两个文件，这样其他进程就不能修改它们，保证了数据的一致性和完整性。vipw命令会启动一个编辑器（默认是vi或vim），你可以在其中编辑/etc/passwd和/etc/shadow文件，修改用户的信息，比如用户名、UID、GID、Shell、密码等。注意，修改这些文件需要root权限，所以只有系统管理员可以执行这个命令。执行vipw命令时，还会检查/etc/passwd和/etc/shadow文件的语法和格式是否正确，如果发现错误会给出相应的提示。系统也常常由图形用户界面（GUI）提供类似的功能。

POSIX.1定义了两个获取口令文件项的函数，给出用户登录名或UID后，就能查看相关项：

ls命令会使用getpwuid函数，将文件i节点中的数字用户ID映射为用户登录名。login命令会使用getpwnam函数。

以上函数返回的passwd结构通常是函数内部的静态变量，再次调用其内容会被重写。

SUS的XSI扩展中的有关口令文件的函数，可期望所有UNIX实现都提供这些函数，但POSIX.1标准没有定义这三个函数（POSIX标准是SUS标准的组成部分）：

每次调用getpwent时，它返回口令文件中的下一个记录项（首次调用时，在返回第一条口令文件项前，还会做打开口令文件操作），每次调用此函数时都重写返回的passwd结构。对此函数返回的口令文件项的顺序无要求，有些系统使用散列算法对口令文件中各项排序。

setpwent函数rewind到口令文件的开头，使得下次调用getpwent时返回第一条口令文件项。

endpwent函数会关闭getpwent函数打开的口令文件，用这个函数关闭打开的口令文件的原因是getpwent函数不知道何时应该关闭口令文件。

getpwnam函数的一个实现：

#include <pwd.h>
#include <string.h>

struct passwd *getpwnam(const char *name) {
    struct passwd *ptr;

    setpwent();    // 确保调用者在以前已经调用getpwent打开了口令文件的情况下，rewind到文件开始处
    while ((ptr = getpwent()) != NULL) {
        if (strcmp(name, ptr->pw_name) == 0) {
		    break;
		}
    }
    endpwent();
    return ptr;    // ptr is NULL if no match found
}

加密口令是经单向加密算法处理过的用户口令副本，不能从加密口令反变换到原来的口令，但可对口令进行猜测，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。

某些系统将加密口令存放在阴影口令文件中，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放在该文件中：

阴影口令文件不应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、passwd，这些程序常常是设置用户ID为root的程序。

Linux 3.2.0和Solaris 10中访问阴影口令文件的函数：

FreeBSD 8.0和Mac OS X 10.6.8中没有阴影口令结构，这两个系统中附加的账户信息（如账户有效期）存放在口令文件中。

UNIX组文件（POSIX.1称其为组数据库）包含以下字段，这些字段包含在头文件grp.h定义的group结构中：

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。

POSIX.1定义的返回指定组的group结构的函数：

这两个函数也常返回指向一个静态变量的指针，每次调用时都重写该静态变量。

搜索整个组文件（由SUS的XSI扩展定义，不是基本POSIX.1组成，所有UNIX都提供这3个函数）：

setgrent函数打开组文件（如它尚未打开）并rewind它。

用户执行newgrp命令可更改用户所在的实际组ID，执行不带参数的newgrp命令可回到与该用户名相同的预设组。

4.2 BSD引入了附属组ID，一个用户除了属于一个组外，还可属于至多16个另外的附属组。文件访问权限也修改为：不仅将进程的有效组ID与文件的组ID相比，也将所有附属组ID与文件的组ID比较。

POSIX.1早期版本中附属组ID特性是可选的。常量NGROUPS_MAX规定了附属组ID的数量，常用值为16。

获取和设置附属组ID的函数：

POSIX.1只说明了getgroups函数，因为setgroups和initgroups函数是特权操作，所以它们并非POSIX.1的组成部分。Mac OS X 10.6.8中，initgroupus函数的basegid参数的类型为int。

getgroups函数将进程所属用户的各附属组ID填到grouplist参数中，填入数量最多是参数gidsetsize个，返回实际填写到数组中的附属组ID数。如果参数gidsetsize为0，则函数不修改grouplist参数，但会返回附属组ID数，这样可确定grouplist参数数组的长度，以便进行分配空间。

setgroups函数可由root用户调用为调用进程设置附属组ID表，参数grouplist是组ID数组，参数ngroups说明了数组中的元素数（此值不能大于NGROUPS_MAX）。

通常只有initgroups函数调用setgroups函数（因此initgroups函数也需要超级用户权限），initgroups函数一般读整个组文件，然后用组文件中数据初始化username参数表示的用户的附属组，参数basegid也会加入用户的附属组中。login命令在用户登录时会调用此函数。

不同平台存储用户和组信息的方式：

Mac OS X只在单用户模式下使用/etc/passwd和/etc/master.passwd（单用户模式下可执行系统的维护任务，通常此模式下会关闭系统服务，如目录服务守护进程），在正常的多用户模式期间，目录服务守护进程提供对用户和组账户信息的访问。

对于阴影口令文件中的不活动字段，Solaris将其定义为自用户上次登录后到下次账户自动失效之间的天数，Linux将其定义为达到口令失效的尚余天数。

很多系统中，用户和组数据库是用网络信息服务（Network Information Service，NIS）实现的，管理员可编辑数据库的主副本，然后将它自动分发到组织中所有服务器上，客户联系服务器查看用户和组的有关信息，NIS+轻量级目录访问协议（Lightweight Directory Access Protocol，LDAP）提供了类似功能。很多客户通过配置文件/etc/nsswitch.conf控制管理每一类信息的方法。

对于除口令文件和组文件外的一些系统数据文件，一般为每个数据文件至少提供3个函数：
1.get函数：读下一条记录，如果要读的文件未打开，则先打开该文件，此函数通常返回指向一个结构的指针，该指针指向一个静态存储类结构，当到达文件尾端时返回空指针。

2.set函数：打开相应数据文件（如果该文件未打开），然后rewind该文件。

3.end函数：关闭相应数据文件。

除以上3个函数外，如果数据文件支持某种形式的键搜索，则也提供搜索指定键对应数据的例程，如口令文件有getpwnam函数搜索指定用户名的记录和getpwuid函数搜索指定用户ID的记录。

Solaris中，上图里的最后4个文件都是符号链接，链接到/etc/inet下的同名文件上。

FreeBSD中，阴影口令文件是/etc/master.passwd，可使用特殊命令编辑该文件，该命令会产生阴影口令文件的一个副本，该副本名为/etc/passwd；另外，此命令也产生一个/etc/master.passwd文件的散列副本（/etc/spwd.db）和一个/etc/passwd的散列副本（/etc/pwd.db），这些散列副本为更大的系统提供更好的性能。

大多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，这两个文件中写入的是以下结构的二进制记录：

登录时，login程序填写此类型结构，然后将其写入utmp文件和wtmp文件，注销时，init进程将utmp文件中的相应记录擦除（每个字节都填为null字节），并将一个新纪录（此记录的ut_name字段为0）添加到wtmp文件中。在系统重启动后和更改系统时间前后，都会在wtmp文件追加特殊的记录项。who命令读取utmp，并以可读形式打印其中内容（当前登录用户信息）；last命令读wtmp文件并打印其中记录。

utmp结构中的信息在V7中有20字节，在SVR2中被扩充为36字节，而在SVR4中被扩充为多于350字节。

Solaris中，utmp和wtmp文件在/var/adm目录下；FreeBSD 8.0和Linux 3.2.0中，这两个文件的路径为/var/run/utmp和/var/log/wtmp；Mac OS X 10.6.8中，utmp和wtmp文件不存在。

POSIX.1定义的返回与主机和操作系统相关信息的函数：

此函数执行时会填写传入到name参数的utsname结构，POSIX.1只定义了该结构中最少需提供的字段，这些字段都是以null结尾的字符数组，每个数组的长度由实现确定：

utsname结构中的内容可由uname命令打印。

utsname结构没有给出POSIX.1版本的信息，应使用宏_POSIX_VERSION获得此信息。

BSD派生的系统提供gethostname函数，它只返回主机名，该名字通常是TCP/IP网络上主机的名字：

namelen参数指定name参数的长度，如果空间足够，则返回的字符串以null结尾，否则不确定。

现在POSIX.1也定义了gethostname函数，该标准指定最大主机名长度为HOST_NAME_MAX。

hostname命令可获取和设置主机名，主机名通常在系统自举时设置，文件名由程序/etc/rc或init取自一个启动文件。

UNIX内核提供的基本时间服务是计算自协调世界时（Coordinated Universal Time，UTC）的19700101 00:00:00时间以来经过的秒数，这个秒数存放于数据类型time_t，称其为日历时间。

返回当前的UNIX时间戳：

时间戳作为函数值返回，如果参数calptr非空，时间戳同时也存放在该参数指向的空间。

POSIX.1的实时扩展增加了对多个系统时钟的支持，在SUS v4中，控制这些时钟的接口从可选组移到基本组。时钟通过clockid_t类型进行标识：

以下函数可获取特定时钟的时间:

当参数clock_id设为CLOCK_REALTIME时，由于timespec结构把时间表示为秒和纳秒，因此在系统支持高精度时间值的情况下，colck_gettime函数比time函数的精度更高。

获取特定时钟的精度：

如果参数clock_id表示的时钟的精度为1毫秒，则tsp参数指向的timespec结构的tv_sec字段为0，tv_nsec字段为1000000。

设置特定时钟的时间：

更改时钟值需要特权，有些时钟是不能修改的。

System V派生的系统使用stime函数设置系统时间；BSD派生的系统使用settimeofday函数设置系统时间。

SUS v4指定gettimeofday函数已经弃用，但还有很多程序使用它，因为它相比于time函数能提供更高的精度（微秒级）：

tzp参数的唯一合法值是NULL，其他值会产生不确定的结果，某些平台用tzp参数说明时区，这完全依实现而定，SUS对此没有定义。

gettimeofday函数返回以timeval结构表示的UNIX时间戳，该结构将UNIX时间戳表示为秒和微秒。

取得UNIX时间戳后，通常调用函数将其转换为tm结构：

然后通常调用另一函数将tm结构转换为人可读的时间和日期，各个时间函数之间的关系：

上图中用虚线表示的函数受环境变量TZ的影响，它们会用TZ的值代替系统默认时区，如果TZ定义为空串，则使用UTC（世界各地的时区都是用与UTC的正负偏移量来表示的）。

tm结构中秒的最大值超过59，因为这样可以表示闰秒；除月、日外，tm结构中其他字段都以0开始；如果夏令时生效，则夏令时标志为正，如果为非夏令时时间，则该标志为0，如果此信息不可用，则其值为负。

SUS的以前版本允许双闰秒，tm_sec字段的最大值为61，UTC的正式定义不允许双闰秒，因此现在tm_sec值最大值定义为60。

将UNIX时间戳转换为tm结构：

localtime函数可将日历时间转换为本地时间（即考虑时区和夏令时标志）；gmtime函数将日历时间转换成UTC的tm结构。

将tm结构转换为日历时间：

将tm结构转换为格式化字符串：

函数asctime和ctime能用于产生一个26字节的可打印字符串，类似date命令的输出，但这些函数已被标记为弃用，因为它们容易出现缓冲区溢出的问题。

strftime_l函数允许调用者指定时区。strftime使用TZ环境变量指定时区。

参数tmptr指向一个tm结构，是要格式化的时间值，格式化的结果存放在参数buf表示的数组中，数组的大小由maxsize参数指明（单位为字节数），如果缓冲区能容纳格式化的结果和一个null终止符，则该函数返回在buf中存放的字节数（不含null），否则函数返回0。

format参数控制输出的格式，其中的“转换说明”会转换为特定的时间，其他字符原样输出，ISO C规定的“转换说明”如下：

strftime函数的每个转换说明产生一个定长的输出字符串，因此format参数字符串中没有字段宽度修饰符。

上图中%U表示该日期在该年中所属的周数，包含第一个星期日的周是第一周。%W与%U类似，但它将包含第一个星期一的周看做第一周。%V认为如果包含了1月1日的那周包含了新一年的4天及以上的天数，那么该周为一年中的第一周，否则该周被认为是上一年的最后一周。

strftime函数对某些转换说明支持修饰符，可使用E和O修饰符产生本地支持的另一种格式，某些系统支持另一些非标准的扩充支持。

使用strftime函数：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main() {
    time_t t;
    struct tm *tmp;
    char buf1[16];
    char buf2[64]; 

    time(&t);
    tmp = localtime(&t);
    if (strftime(buf1, 16, "time and date: %r, %a %b %d %Y", tmp) == 0) {
        printf("buffer length 16 is too small\n");
    } else {
        printf("%s\n", buf1);
    }

    if (strftime(buf2, 64, "time and date: %r, %a %b %d %Y", tmp) == 0) {
        printf("buffer length 64 is too small\n");
    } else {
        printf("%s\n", buf2);
    }

    exit(0);
}

运行它：

strptime函数将字符串时间分解为tm结构：

参数format给出了buf参数指向的缓冲区内的字符串的格式，format参数中的转换说明与strftime函数的转换说明稍有不同：

加密口令要从阴影文件中获取而不能从口令文件中获取（在FreeBSD 8.0中，仅当调用者的有效用户ID为0时，即是root用户时，getpwnam或getpwuid函数返回的口令文件项的加密口令字段pw_passwd含加密口令；Mac OS X 10.6.8中，加密口令无法通过本章中的函数获取）。

在系统Linux 3.2.0和Solaris 10上，有超级用户权限时，可用以下程序从阴影口令文件中获取加密口令，如没有超级用户权限，调用getspnam会返回EACCESS错误：

#include <stdio.h>
#include <shadow.h>
#include <stdlib.h>

int main() {    // Linux/Solaris version
    struct spwd *ptr;

    if ((ptr = getspnam("sar")) == NULL) {
        printf("getspnam error\n");
		exit(1);
    }
    printf("sp_pwdp = %s\n", (ptr->sp_pwdp == NULL || ptr->sp_pwdp[0] == 0) ? "(null)" : ptr->sp_pwdp);
    exit(0);
}

在FreeBSD 8.0中，在具有超级用户权限时，可用以下程序从口令文件中输出加密口令，如果没有超级用户权限，则加密字段为星号：

#include <pwd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    struct passwd *ptr;

    if ((ptr = getpwnam("sar")) == NULL) {
        printf("getpwnam error\n");
		exit(1);
    }
    printf("pw_passwd = %s\n", (ptr->pw_passwd == NULL || ptr->pw_passwd[0] == 0) ? "(null)" : ptr->pw_passwd);
    exit(0);
}

以上程序在Mac OS X 10.6.8上，不管运行时用户是什么权限都输出星号。

使用strftime函数输出类似date命令的格式化串：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

#define MAXLINE 1024

int main() {
    time_t caltime;
    struct tm *tm;
    char line[MAXLINE];

    if ((caltime = time(NULL)) == -1) {
        printf("time error\n");
		exit(1);
    }
    if ((tm = localtime(&caltime)) == NULL) {
        printf("localtime error\n");
		exit(1);
    }
    if (strftime(line, MAXLINE, "%a %b %d %X %z %Y\n", tm) == 0) {
        printf("strftime error\n");
		exit(1);
    }
    fputs(line, stdout);
    exit(0);
}

运行它：

可见strftime函数输出TZ环境变量表示的时区的时间。