20135323符运锦--信息安全系统设计基础第九周学习总结

学习计时：共12小时

读书：5小时

代码：2小时

作业：3小时

博客：2小时

附录A 错误处理

A.1 Unix系统中的错误处理

A.2 错误处理包装函数

Unix：返回一个错误，包装函数打印一条消息然后退出。

Posix：错误返回码中不会包含有用的结果，成功时返回void

系统级I/O

输入/输出是在主存和外部设备（如磁盘驱动器、终端和网络）之间拷贝数据的过程。输入操作时从I/O设备拷贝数据到主存，而输出操作时从主存拷贝数据到I/O设备。

10.1 Unix I/O

一个Unix文件就是一个m个字节的序列：B0，B1，B2，B3...Bk...Bm-1。
所有的I/O设备，如网络、磁盘盒终端，都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当做对相应的文件的读和写来执行。这是一种应用接口，称为Unix I/O，这使得所有的输入和输出都能以一种统一且一致的方式来执行：

1.打开文件

一个应用程序通过要求内核打开相应的文件，来宣告它想要访问一个I/O设备，内核返回一个小的非负整数，叫做描述符。unix系统创建每个进程的时候都有三个打开的文件：标准输入；标准输出，标准错误。

2.改变当前的文件位置

内核保持一个文件位置k，初始为0
这个文件位置是从文件开头起始的字节偏移量

3.读写文件

一个读操作就是从文件拷贝n>0个字节到存储器，从当前文件位置k开始，然后将k增加到k+n。给定一个大小为m字节的文件，当k>=m时执行读操作会触发一个称为end-of -file(EOF)的条件，应用程序能检测到这个条件。在文件结尾处并没有明确的“EOF”符号。

4.关闭文件

内核释放文件打开时创建的数据结构，并恢复描述符到可获得描述符池中。

10.2 打开和关闭文件

进程是通过调用open函数来打开一个已存在的文件或是创建一个新文件：

include <sys/types.h>

include <sys/stat.h>

include <fcntl.h>

int open(char *filename, int flags, mode_t mode);
返回：若成功则为新文件描述符，若出错则为-1。

打开文件

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

对等于
("文件名",flag位——表示访问方式及额外提示，mode参数)
mode参数指定新文件的访问权限位。作为上下文的一部分，每个进程都有一个umask；当进程通过带某个带mode参数的open函数用来创建一个新文件的时候，文件的访问权限位被设置为mode & ~umask。

flag参数可以是一位或者多位掩码的或。

flags参数

O_RDONLY：只读

O_WRONLY：只写

O_RDWR:可读可写

O_CREAT:如果文件不存在，就创建它的一个截断（空）文件

O_TRUNC:如果文件已存在，就截断它

O_APPEND:在每次写操作前，设置文件设置到文件的结尾处

关闭文件

10.3 读和写文件

应用程序是通过分别调用read和write函数来执行输入和输出的。

include <unistd.h>

ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n);//返回值：成功为读的字节数，若EOF为0，出错为-1

ssize_t write(int fd,const void *buf,size_t n);//返回值成功为写的字节数，出错为-1

read函数从描述符为fd的当前文件位置拷贝最多n个字节到存储器位置buf，返回值-1表示一个错误。而返回值0表示EOF。否则，返回值表示的是实际传送的字节数量。

write函数从存储器位置buf拷贝至多n个字节到描述符fd的当前文件位置。

在某些情况下，read和write传送的字节比应用程序要求的要少，这些不足值不表示有错误。原因如下：

读时遇到EOF。假设我们猪呢比读一个文件，该文件从当前文件位置开始只含有20多个字节，而我们以50个字节的片进行读取。这样一来，下一个read返回的不足值为20，此后的read将通过返回不足值0来发出EOF信号。

从终端读文本行。如果打开文件是与终端相关联的（如键盘和显示器），那么每个read函数将以此传送一个文本行，返回的不足值等于文本行的大小。

读和写网络套接字。如果打开的文件对应于网络套接字，那么内部缓冲约束和较长的网络延迟会引起read和write返回不足值。对Unix管道调用read和write时，也有可能出现不足值，这种进程间的通信机制不在我们讨论的范围之内。

10.4 用RIO包健壮地读写

RIO包会自动处理不足值。RIO提供了两类不同的函数：

无缓冲的输入输出函数。这些函数直接在存储器和文件之间传送数据，没有应用级缓冲，他们对将二进制数据读写到网络和从网络读写二进制数据尤其有用。

带缓冲的输入函数。这些函数允许你高效地从文件中读取文本行和二进制数据，这些文件的内容缓存在应用级缓冲区内，类似于像printf这样的标准I/O函数提供的缓冲区。是线程安全的，它在同一个描述符上可以被交错地调用。例如，可以从一个描述符中读一些文本行，然后读取一些二进制数据，接着再多读取一些文本行。

RIO的无缓冲的输入输出函数

rio_readn函数从描述符fd的当前文件位置最多传送n和字节到存储器位置usrbuf。类似地，rio_writen函数从位置usrbuf传送n个字节到描述符fd。rio_readn函数唉遇到EOF时只能返回一个不足值。rio_writen函数绝不会返回不足值。对于同一个描述符，可以任意交错地调用rio_readn和rio_writen。

RIO的带缓冲的输入函数

一个文本行就是一个由换行符结尾的ASCII码字符序列。在Unix系统中，换行符（‘\n'）与ASCII码换行符（LF）相同，数字值为0x0a。另一种方法是调用一个包装函数（rio_readlineb），它从一个内部读缓冲区拷贝一个文本行，当缓冲区变空时，会自动地调用read重新填满缓冲区。对于既包含文本行也包含二进制数据的文件，我们也提供了一个rio_readn带缓冲区的版本，叫做rio_readnb，它从和rio_readlineb一样的读缓冲区中传送原始字节。

每打开一个描述符都会调用一次该函数，它将描述符fd和地址rp处的类型为rio_t的缓冲区联系起来。

从文件rp中读取一个文本行（包括结尾的换行符），将它拷贝到存储器位置usrbuf，并用空字符来结束这个文本行。

从文件rp中最多读n个字节到存储器位置usrbuf。对同一描述符，rioreadnb和rioreadlineb的调用可以交叉进行。

while函数：如果缓冲区为空，先调用函数填满缓冲区再读数据

10.5 读取文件元数据

应用程序能够通过调用stat和fstat函数，检索到关于文件的信息（元数据）。

stat函数以文件名作为输入

fstat函数以文件描述符作为输入

stat数据结构中的重要成员：st_mode,st_size

st_size成员包含了文件的字节数大小

st_mode成员编码了文件访问许可位和文件类型

10.6 共享文件

表示打开文件的三个数据结构：
描述符表。每个进程都有独立的描述符表；它的表项是由进程打开的文件描述符来索引的。
v-node表。所有进程共享。每个表项包含stat结构中的大多数信息。
文件表。表示打开文件的集合；所有的进程共享。表项有：文件位置、引用计数、指向v-node表中对应表项的指针。

三种打开文件的类型：

典型：描述符各自引用不同的文件，没有共享

共享：多个描述符通过不同的文件表表项引用同一个文件。

继承：子进程继承父进程打开文件。

10.7 I/0重定向

Unix外壳提供了I/O重定向操作符，允许用户将磁盘文件和标准输入输出联系起来
重定向使用dup2函数:int dup2(int oldfd,int newfd);
dup2函数拷贝描述符表表项oldfd到描述符表表项newfd，覆盖描述表表项newfd以前的内容。
如果newfd已经打开，dup2会在拷贝oldfd之前关闭newfd

10.8 标准I/O

ANSI C定义了一组高级输入输出函数，称为标准I/O库。提供了打开和关闭文件的函数（fopen和fclose），读和写字节的函数（fread和fwrite），读和写字符串的函数（fgets和fputs），格式化I/O函数（scanf和printf）.标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流。一个流就是一个指向FILE类型的结构的指针。每个ANSI C程序开始时都有三个打开的流stdin、stdout、stderr，分别对应标准输入、标准输出、标准错误。类型为FILE的流是对文件描述符和流缓存区的抽象。

参考资料

《深入理解计算机系统》
www.topsage.com
https://www.shiyanlou.com/courses/413

体会

本章节内容篇幅看似不大，内容实则含有很多东西。首先，代码量相比于前些章节多了很多，加之C语言学的没有完全通透，所以读代码有一定的困难。但是花了一定的时间去理解，还是能够了解各七八层。剩下不理解的地方主要集中在RIO处，对于继承部分不是很理解等。