20145203 《信息安全系统设计基础》第九周学习总结

20145203 《信息安全系统设计基础》第九周学习总结

第十章 系统级I/O

教材学习内容总结

绪论

输入/输出（I/O）是在主存和外部设备之间拷贝数据的过程。

　　　输入：从I/O设备拷贝数据到主存
　　　输出：从I/O设备拷贝数据到主存

第一节 Unix I/O

Unix I/O:所有的I/O设备都被模型化为文件，而所有的输入输出都被当做对相应文件的读/写。执行方式如下：

1.打开文件：

应用程序向内核发出请求→要求内核打开相应的文件→内核返回文件描述符

• 文件描述符：一个小的非负整数，用来在后续对此文件的所有操作中标识这个文件。有三个已经被指定了的描述符如下：

    标准输入——0（STDIN_FILENO）
    标准输出——1（STDOUT_FILENO）
    标准错误——2（STDERR_FILENO）
  

括号中是常量表示形式，使用时需要加头文件<unistd.h>

2.改变当前的文件位置：

当打开一个文件的最初时候文件的偏移量为0.通过seek操作，可以显示的设置文件的当前位置为k。

3.读写文件

（1）读：

①读操作就是从文件拷贝n>0个字节到存储器，并且改变文件当前位置。（如果当前位置是k，则改变为k+n）

②文件结尾处没有明确的EOF信号，是当文件当前位置的数值超过了文件大小时，会处罚一个称为end-of-file的条件，能够被应用程序检测到，这就是所谓的EOF信号。

（2）写：

写操作是从存储器拷贝n>0个字节到一个文件，然后更新当前文件位置。

4.关闭文件

应用通知内核关闭文件→内核释放文件打开时的数据结构→恢复描述符→释放存储器资源。

第二节 打开和关闭文件

1.open函数

（1）函数定义：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(char *filename, int flags, mode_t mode);

（2）参数解析：

• 返回值：类型为int型，返回的是描述符数字，总是在进程中当前没有打开的最小描述符。如果出错，返回值为-1.

• filename：文件名

• flags：指明进程打算如何访问这个文件，可以取的值见下：

    O_RDONLY：只读
    O_WRONLY：只写
    O_RDWR：可读可写
  
    O_CREAT：文件不存在，就创建新文件
    O_TRUNC：如果文件存在，就截断它
    O_APPEND：写操作前设置文件位置到结尾处
  

这些值可以用或（|）连接起来。

• mode：指定了新文件的访问权限位，符号名称如下：

当进程通过带某个mode参数的open函数调用来创建一个新文件时，文件的访问权限位被设置为mode & ~umask

2.close函数

(1)函数定义：

#include <unistd.h>

int close(int fd);

(2)参数解析：

• 返回值：成功返回0，出错返回-1
• fd：即文件的描述符。

第三节 读和写文‘件

1.读 read

（1）函数原型：

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);

（2）参数解析：

• 返回值（ssize_t）：成功则返回读的字节数，EOF返回0，出错返回-1。返回值为有符号数。
• fd：文件描述符
• n：最多从当前文件位置拷贝n个字节到存储器位置buf

2.写 write

（1）函数原型：

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, void *buf, size_t n);

（2）参数解析：

• 返回值（ssize_t）：成功则返回写的字节数，出错返回-1。返回值为有符号数。
• fd：文件描述符
• buf：存储器位置
• n：最多从存储器位置buf拷贝n个字节到当前文件位置

注意：

①read和write在正常情况下返回值是实际传送的字节数量。

②通过lseek函数可以显式的修改当前文件的位置

③不足值：

不足值指在某些情况下，read和write传送的字节比应用程序要求的要少，原因如下：

• 读的时候遇到EOF
• 从终端读文本行
• 读和写socket
• 对Unix管道调用 read和write

第四节 用RIO包健壮的读写

RIO，Robust I/O，自动的处理上文所述的不足值。

1.RIO的无缓冲的输入输出函数。

这些函数的作用直接在存储器和文件之间传送数据，常适用于网络和二进制数据之间。

（1）rio_readn函数和rio_writen定义：

#include "csapp.h"

ssize_t rio_readn(int fd, void *usrbuf, size_t n);
ssize_t rio_writen(int fd, void *usrbuf, size_t n);

（2）参数解析：

• fd：文件描述符

• usrbuf：存储器位置

• n:传送的字节数

• 返回值：

    rio_readn成功则返回传送的字节数，EOF为0（一个不足值），出错为-1
    rio_writen成功则返回传送的字节数，出错为-1，没有不足值。
  

2.RIO的带缓冲的输入函数

可以高效的从文件中读取文本行和二进制数据。

一个文本行就是一个由换行符结尾的ASCII码字符序列。所以统计文本文件中文本行的数量只需要通过计算换行符。需要用到的函数：

#include "csapp.h"

void rio_readinitb(rio_t *rp, int fd);//将描述符fd和地址rp处的一个类型为rio_t的读缓存区联系起来。

ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp,void *usrbuf, size_t maxlen);//从文件rp中读出一个文本行，包括换行符，拷贝到存储器位置usrbuf，并用空字符结束这个文本行。最多赌到maxlen-1个字节，最后一个给结尾的空字符。
ssize_t rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n);//从文件rp中读取最多n个字符到存储器位置usrbuf中。

成功则返回传送的字节数，EOF为0，出错为-1。

第五节 读取文件元数据

1、元数据即文件信息，需要用到的函数是stat和fstat。

（1）定义如下：

#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>

int stat(const char *filename, struct stat *buf);
int fstat(int fd,struct stat *buf);

（2）参数：

• 返回值：成功为0，错误为-1

• stat需要输入文件名，而fstat需要输入的是文件描述符。

• 关于stat数据结构如下图：

需要注意的有两个，st_mode和st_size。

　　　st_size：包含文件的字节数大小
　　　st_mode：包编码文件访问许可位和文件类型。
　　　
Unix文件类型如下，并有对应的宏指令，含义均为“是xx吗”，这些宏在sys/stat.h中定义：

	普通文件	二进制或文本文件（对内核没差）	S_ISREG()
	目录文件	关于其他文件的信息	           S_ISDIR()
	套接字	通过网络与其他进程通信的文件	S_ISSOCK()

（3）查询和处理一个文件的st_mode位：

#include "csapp.h"

int main (int argc, char **argv) 
{
    struct stat stat;
    char *type, *readok;

    Stat(argv[1], &stat);//文件选择argv[1]，写入一个stat数据结构
    if (S_ISREG(stat.st_mode))     /* 如果是一个文本文件 */
	type = "regular";
    else if (S_ISDIR(stat.st_mode))//如果是一个目录文件
	type = "directory";
    else 
	type = "other";
    if ((stat.st_mode & S_IRUSR)) /* 检查阅读权限 */
	readok = "yes";
    else
	readok = "no";

    printf("type: %s, read: %s
", type, readok);
    exit(0);
}

第六节 共享文件

示例：

1、典型的无共享的：

描述符1和4指向文件表中不同的表现，进而引用了两个不同的文件。

2、文件共享：

这里可以看到，描述符1和4指向了文件表中的不同表项，但是引用了同一个文件，关于这种情况书上给了一个实例：同一个filename调用open函数两次，这时描述符是不一样的，文件位置也不一样，但是都是同一个文件。这体现的关键思想是：

每个描述符都有它自己的文件位置 ，所以对不同描述符的读操作可以从文件的不同位置获取数据。

3、子进程继承父进程的打开文件：

初始状态如图6，只有父进程进行了打开文件，然后子进程会有一个父进程描述符表的副本，因而能够共享相同的打开文件表集合，同时也就共享相同的文件位置。

而由于文件表的性质，关闭一个描述符的时候只会减少相应的文件表表项中的引用计数，内核不会删除这个文件表表项直至引用计数清零，所以要想内核删除相应文件表表项，父子进程都必须关闭它们的描述符。

第七节 I/O重定向

I/O重定向操作符：

Unix>ls > foo.txt
这句代码的含义就是使外壳加载和执行ls程序，并且将标准输出重定向到磁盘文件foo.txt。

I/O重定向函数： dup2

（1）函数定义为：

#include <unistd.h>

int dup2(int oldfd, int newfd);

（2）返回值：成功返回描述符，错误返回-1

 函数将拷贝描述符表表项oldfd，覆盖描述表表项newfd，如果后者被打开，则在拷贝前关闭它。

第八节 标准I/O

1.标准I/O库：

ANSI C定义了一组高级输入输出函数，称为标准I/O库，包含:

• fopen、fclose，打开和关闭文件
• fread、fwrite，读和写字节
• fgets、fputs，读和写字符串
• scanf、printf，复杂的格式化的I/O函数

2.流——类型为FILE的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象

标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流。

每个ANSI C程序开始的时候都有三个打开的流：stdin、stdout、stderr，对应于标准输入、标准输出和标准错误 （参见第一节笔记），定义如下：

#include <stdio.h>

extern FILE *stdin;
extern FILE *stdout;
extern FILE *stderr;

第九节 套接字

网络套接字上最好不要使用标准I/O函数来进行输入和输出，而是使用RIO函数，原因时标准I/O函数会有限制：

①如果没有清楚缓存区，输入函数后面不能接输出函数。

②输出函数后面也不能接输入函数，导致对套接字使用lseek是非法的，打开两个流很容易出现灾难。

课后作业中的问题和解决过程

1、练习10.1：在Unix生命周期一开始，0、1、2就被占用，以后的open只能从3开始

2、练习10.2：因为fd1和fd2有独立的文件描述符，它们各自有各自的描述符表、文件表、v-code表，所以它们的读取是各自独立的，最后得值是f；

3、练习10.3：Fork是子程序，和父程序共享同一个描述符表、文件表、v-code表，指向相同的文件，所以在子程序执行过后，父程序在其基础上进行，读取下一个字符，是o

4、练习10.5：初始情况下fd1和fd2的描述符分别是3和4，所以是两个不同描述符表，指向两个不同的文件，但是由于在读了fd2一个字节之后，将fd1重定向到了fd2，所以此时再读fd1相当于在读fd2，也就是结果是o。

本周代码托管链接

代码链接

其他（感悟、思考等，可选）

这一章教材上的内容不算多，但是非常的抽象，我花了比想象中更多的时间来通读书上的代码，又参考了很多人对于文件共享的解释，才理解了文件共享的表层含义。读书的过程中涉及到很多专业名词，我都不是很理解，只能根据上下文来猜测或者去百度，去试图解释每一句的含义，学的还是比较吃力。但是这次学到了非常实用的东西——文件的读写。不光学习这门课，对于我学习操作系统以及编写C语言代码都是非常有帮助的。希望自己能学以致用。

学习进度条

	代码行数（新增/累积）	博客量（新增/累积）	学习时间（新增/累积）	重要成长
目标	5000行	30篇	400小时
第一周	150/150	1/2	20/20
第二周	200/350	1/2	24/44
第三周	150/500	1/3	20/64
第五周	300/800	1/4	15/79
第六周	500/1300	1/5	20/99
第七周	200/1500	1/6	21/120
第九周	210/1710	1/9	10/130

参考资料

• 《深入理解计算机系统V2》学习指导
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