信息安全系统设计基础第十周学习总结

系统级I/O

输入/输出(I/O)是在主存和外部设备之间拷贝数据的过程。
输入操作是从I/O设备拷贝数据到主存。
- I/O→主存
输出操作是从主存拷贝数据到I/O设备。
- 主存→I/O

Unix I/O

所有的I/O设备都被模型化为文件。
所有的输入和输出都被当作对相应文件的读和写来执行。
打开文件
- 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，称为描述符。
- 内核记录有关这个打开文件的所有信息。
- 应用程序只需要记住操作符即可。
创建每个进程开始时三个打开的文件
- 标准输入（描述符为0）|STDIN_FILENO
- 标准输出（描述符为1）|STDOUT_FILENO
- 标准错误（描述符为2）|STDERR_FILENO
改变当前的文件位置
- 对于打开的文件，内核保存着该文件的位置k，初始值为0
- k为从文件开头起始的字节偏移量
- 应用程序通过执行seek操作，显式地设置文件的当前位置为k
读写文件
- 读操作：
  - 从文件拷贝n>0个字节到存储器
  - 从当前文件位置k开始
  - 将k增加到k+n
  - 给定一个大小为m字节的文件，当k≥m时（即当前文件位置已到文件尾），此时执行读操作会触发end-of-file(EOF)条件。
  - 在文件的结尾并未明确的EOF符号
- 写操作：
  - 从存储器拷贝n>0个字节到一个文件
  - 从当前文件位置k开始
  - 更新k
关闭文件
- 应用完成对文件的访问后，会通知内核关闭该文件。
- 内核释放文件打开时创建的数据结构，并恢复描述池。
- 无论一个进程因为何种原因终止，内核都会关闭所有打开的文件并释放它们的存储器资源。

打开和关闭文件

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

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

sys/types.h 基本系统数据类型，其中包括核心地址、系统时间、设备号、文件描述集、文件位置等类型。
sys/stat.h 用于获取一个文件的所有信息，包括文件对应的模式、设备号码、文件所有者、最后被访问的时间、最后被修改的时间等。ls -l命令就用到了该头文件中所包含的类型。
fcntl.h 文件信息控制类型(file control),定义了很多宏和open.fcntl函数原型。

open函数

char *filename 参数filename指向欲打开的文件路径字符串。
int flags 旗标
- O_RDONLY 以只读方式打开文件
  - define O_RDONLY 00
- O_WRONLY 以只写方式打开文件
  - define O_WRONLY 01
- O_RDWR 以可读写方式打开文件。
  - define O_RDWR 02
- 上述三种旗标是互斥的，也就是不可同时使用，但可与下列的旗标利用OR(|)运算符组合。
- O_CREAT 若欲打开的文件不存在则自动建立该文件。
  - define O_CREAT 00000100
- O_TRUNC 若文件存在并且以可写的方式打开时，此旗标会令文件长度清为0，而原来存于该文件的资料也会消失。
  - define O_TRUNC 00001000
- O_APPEND 当读写文件时会从文件尾开始移动，也就是所写入的数据会以附加的方式加入到文件后面。
  - define O_APPEND 00002000
- mode_t mode 文件权限标志
```
  1. S_IRUSR 所有者拥有读权限
  2. S_IWUSR 所有者拥有写权限
  3. S_IXUSR 所有者拥有执行权限
  4. S_IRGRP 群组拥有读权限
  5. S_IWGRP 群组拥有写权限
  6. S_IXGRP 群组拥有执行权限
  7. S_IROTH 其他用户拥有读权限
  8. S_IWOTH 其他用户拥有写权限
  9. S_IXOTH 其他用户拥有执行权限
```
- 文件权限标志也可以用加权数字表示，这组数字被成为umask变量，它的类型是mode_t,是一个无符号八进制数。
  - umask变量由3位数字组成，数字的每一位代表一类权限，用户所获得的权限是加权数值的总和。
  - 例如764表示所有者拥有读、写和执行权限，群组拥有读和写权限，其他用户拥有读权限。
  - 0表示没有任何权限。
  - 每个程序都有一个umask的值，并且默认为022。可以通过umask()函数调用设置。
    - umask()会将系统umask值设成参数mask&0777后的值，然后将先前的umask值返回。在使用open()建立新文件时，该参数 mode并非真正建立文件的权限，而是(mode& ~umask)的权限值。
    - 例如，在建立文件时指定文件权限为0666，通常umask值默认为 022，则该文件的真正权限则为0666&～022＝0644
- 书上例子解析：
```
  #define DEF_MODE S_IRUSER|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH //拥用者、群组、其他人都拥有读写权限，相当于666
  #define DEF_MASK S_IWGRP|S_IWOTH //用户组、其他人拥有写权限，相当于022
  umask(DEF_UMASK); //将当前的umask值设置成022
  fd = open("foo.txt",O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY,DEF_MODE); //DEF_MODE此时的值应该为DEF_MODE &~DEF_UMASK，即666&~022=644，则文件的拥有者有读写权利，所有其他的用户只有读权利。
```
- 返回值若成功则为新文件描述符，若出错为-1。返回的描述符总是在进程中当前没有打开的最小描述符。
- 示例：fd = open("foo.txt",O_WRONLY|O_APPEND,0)
  - 表示打开一个已存在的文件，并在后面添加一些数据。

close函数

#include <unistd.h>

int close(int fd);

unistd.h 提供了close()函数。
返回值：成功返回0，出错返回-1并设置errno
参数fd是要关闭的文件描述符。
- 需要说明的是，当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。
若省略fd，则将关闭Open语句打开的所有活动文件。

读和写文件

读文件

#include <unist.h>
ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n);

fd 文件描述符
*buf 缓冲区指针，用于保存读出来的数据。
n 所需要读取的字节数
返回值类型为ssize_t 表示有符号的size_t。
- size_t(size type),表示一种整型类型，包含int、long等。
- 返回所读取的字节数；0（读到EOF）；-1（出错）。
- 以下几种情况会导致读取到的字节数小于 n ：
  - A. 读取普通文件时，读到文件末尾还不够 n 字节。例如：如果文件只有 30 字节，而我们想读取 100 字节，那么实际读到的只有 30 字节，read 函数返回 30 。此时再使用 read 函数作用于这个文件会导致 read 返回 0 。
  - B. 从终端设备（terminal device）读取时，一般情况下每次只能读取一行。
  - C. 从网络读取时，网络缓存可能导致读取的字节数小于 n字节。
  - D. 读取 pipe 或者 FIFO 时，pipe 或 FIFO 里的字节数可能小于 n 。
  - E. 从面向记录（record-oriented）的设备读取时，某些面向记录的设备（如磁带）每次最多只能返回一个记录。
  - F. 在读取了部分数据时被信号中断。

写文件

#include <unist.h>
sszize_t write(int fd,const void *buf,size_t n);

fd 文件描述符
const void *buf 数据来源buf，const所描述的对象具有不变性，不可更新。
n 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。
返回值一般等于n，否则就是出错。
- 常见出错的原因：
  - 磁盘空间满了
  - 超过文件大小限制

书上cpstdin.c代码测试

书上的源代码仅为理论上讲述的程序，说明了一次一个字节地从标准输入拷贝到标准输出的功能，但是并未有明显的表示。所以我将代码修改了，通过两个文件foo.txt与foo1.txt来体现该功能。

foo.txt文档中存放着123456的文本
foo1.txt为空文档。
代码功能将foo.txt中的文本一次一个地写入foo1.txt文档中。

代码如下：

  /* $begin cpstdin */	
  #include "csapp.h"
  #include <sys/types.h>
  #include <sys/stat.h>
  #include <fcntl.h>
  int main(void)
  {
     char c = 1;
     int fd1,fd2;
     fd1 = open("foo.txt",O_RDWR);//打开foo.txt，并将文件描述符保存至fd1
     fd2 = open("foo1.txt",O_RDWR);//打开	foo1.txt，并将文件描述符保存至fd2
     while(read(fd1,&c, 1) != 0)//当未读到EOF,则循环进行
     write(fd2, &c, 1);//将一个字符写入foo1.txt中
    exit(0);
  }
  
  /* $end cpstdin */

运行结果如下：

用RIO包健壮地读写

RIO（Robust I/O，健壮地I/O）包：它会自动为你处理不足值。
- 不足值：read和write传送的字节比应用程序要求地要少。
RIO提供了两类不同的函数：
- 无缓冲的输入输出函数。没有应用级缓冲，它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。高效地从文件中读取文件行和二进制数据，这些文件的内容缓存在应用级缓存区内。

RIO的无缓冲的输入输出函数

通过调用rio_readn和rio_writen函数，应用程序可以在存储器和文件之间直接传送数据。
```
  #include "csapp.h"
  ssize_t rio_readn(int fd,void *usrbuf,size_t n);
```

void *usrbuf 存储器位置
size_t n 传送的字节数
返回值若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1
功能从描述符fd的当前文件位置最多传送n个字节到存储器位置usrbuf。
```
  #include "csapp.h"
  ssize_t rio_writen(int fd,viod *usrbuf,size_t n);
```

void *usrbuf 存储器位置
size_t n 传送的字节数
返回值若成功则为传送的字节数，若出错则为-1
功能从位置usrbuf传送n个字节道描述符fd。

RIO带缓冲地输入函数

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，换行符的数值未0x0a。

  #include "csapp.h"
  void rio_readinitb(rio_t *rp,int fd);

每打开一个描述符都会调用一次rio_readinitb，它将描述符fd和地址rp处的一个类型为rio_t的读缓冲区练习起来。

ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t maxlen);

rio_t 设置一个地址
void *usrbuf 缓存区地址
size_t maxlen 读取的最大长度
返回值若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1
功能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。
rio_readlineb函数最多读maxlen-1个字节，余下的一个字符留给结尾的空字符。
超过maxlen-1字节的文本行被截断，并用一个空字符结束。
ssize_t rio_readnb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t n);
rio_t 设置一个地址
void *usrbuf 缓存区地址
size_t maxlen 读取的最大长度
返回值若成功则为传送的字节数，若EOF则为0，若出错则为-1
功能对于既包含文本行也包含二进制数据的文本，进行拷贝文本行操作。
从文件rp最多读n个字节道存储器位置usrbuf。

对同一描述符，对rio_readlineb和rio_readnb的调用可以任意交叉进行，但不应该和无缓冲的rio_readn函数交叉使用。

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（也称为文件的元数据）。
```
  #include <unistd.h>
  #include <sys/stat.h>
  int stat(const char *filename,struct stat *buf);
```
filename 文件名

struct stat *buf 结构体stat中各个成员，如下：

  struct stat {

  mode_t     st_mode;       //文件对应的模式，文件，目录等

  ino_t      st_ino;       //inode节点号

  dev_t      st_dev;        //设备号码

  dev_t      st_rdev;       //特殊设备号码

  nlink_t    st_nlink;      //文件的连接数

  uid_t      st_uid;        //文件所有者

  gid_t      st_gid;        //文件所有者对应的组

  off_t      st_size;       //普通文件，对应的文件字节数

  time_t     st_atime;      //文件最后被访问的时间

  time_t     st_mtime;      //文件内容最后被修改的时间

  time_t     st_ctime;      //文件状态改变时间

  blksize_t st_blksize;    //文件内容对应的块大小

  blkcnt_t   st_blocks;     //伟建内容对应的块数量

};


  int fstat(int fd,struct stat *buf);

int fd 文件描述符
不同的文件类型
- 普通文件
- 目录文件
- 网络套接字
宏指令根据st_mode成员来确定文件的类型
- S_ISREG() —— 这是一个普通文件吗？
- S_ISDIR() —— 这是一个目录文件吗？
- S_ISSOCK() —— 这是一个网络套接字吗？

共享文件

内核用三个数据结构来表示打开的文件：
- 描述符表
  - 每个进程都有它独立的描述符表
- 文件表
  - 打开文件的集合是由一张文件表来表示的，所有的进程共享这张表。
  - 每个文件表的表项组成：
    - 当前的文件位置
    - 引用计数
    - 指向v-node表中对应表项的指针
- v-node表
  - 所有的进程共享这张v-node表。

I/O重定向

利用dup2函数进行I/O重定向工作

  	#include <unistd.h>
  	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，覆盖描述符表表项newfd以前的内容。
如果newfd已经打开了，dup2会在拷贝oldfd之前关闭newfd。

标准I/O

ANSI C定义了一组高级输入输出函数，成为标准I/O库。
- 提供了打开和关闭文件的函数(fopen/fclose)
- 读和写字节的函数(fread/fwrite)
- 读和写字符串的函数(fgets/fputs)
- 复杂的格式化的I/O函数(scanf/printf)
标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流。
每个ANSI C程序开始时都有三个打开的流stdin、stdout和stderr。
类型为FILE的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象。

实验代码

cp1.c

该代码的功能为生成一个与其一样内容的文件。

运行测试（拷贝cp1.c至cp2.c）

2.echostate.c
该代码的功能为查看此时echo值为多少，配合setecho使用。

3.setecho.c
该代码的功能是输入y时，即可显示输入。输入除y外的内容，即可隐藏输入

运行结果：

4.fileinfo.c
该代码的功能是显示文件的信息

运行结果：

5.filesize.c
该代码的功能是显示文件的字节数

运行结果：

6.who1.c
该代码的功能是将系统用户操作显示出来。

运行结果：

7.ls1.c
该代码的功能是显示当前目录的文件

运行结果：

8.ls2.c
该代码的功能同ls1.c相同，但多了文件的权限信息。

运行结果：

9.spwd.c
该代码的功能是显示当前文件夹路径，同pwd。

运行结果：

10.testioctl.c
该代码的功能是显示文件内容的行列。

运行结果：