20145233 《信息安全系统设计基础》第九周学习总结

20145233 《信息安全系统设计基础》第九周学习总结

教材学习内容总结

第一节 Unix I/O

这一节涉及到操作系统的基本抽象之一——文件。也就是说，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。相关的执行动作如下：

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>

改变当前的文件位置

• 通常，读，写操作都从当前文件偏移量处开始（也就是文件位置），并使偏移量增加所读写的字节数，可以理解为光标所在的位置。

• 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。

读写文件

（1）读

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）

EOF的来源：

• 这里有一个理解上的误区：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

• 写操作是从存储器位置buf拷贝至多n个字节到描述符fd的当前文件位置，然后更新当前文件位置。

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

• 打开一个已存在的文件或者创建一个新文件：int open（char *filename,int flags,mode_t mode） (若成功则返回新文件描述符，若出错为-1)
• open函数将filename转换为一个文件描述符，并且返回描述符数字。
• flags参数指明了进程如何访问文件。
• mode参数指定了新文件的访问权限位。
• 关闭一个打开的文件：int close（int fd）（若成功则为0，若出错则为-1）
  关闭一个已关闭的描述符会出错

第三节 读和写文件

• 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原因如下：

1、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。
2、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。
3、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。

不足值

• 读时遇到EOF：文件末尾剩余的字节数不足读取文件的字节片大小。
• 从终端读文本行：若打开文件与终端相关联，则每个read函数将一次传送一个问本行。返回的不足值等于文本行的大小。
• 读和写网络套接字（socket）：若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。

第四节 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，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。这些函数允许高效地从文件中读取文本行和二进制数据（函数从内部缓冲区中拷贝一个文本行，当缓冲区变空的时候，会自动地调用read重新填满缓冲区），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。带缓冲的RIO输入函数是线程安全的，它在同一个描述符上可以被交错地调用。

第五节 读取文件数据

• 元数据即文件信息，需要用到的函数是stat和fstat
• stat需要输入文件名，而fstat需要输入的是文件描述符。
• 文件类型：

普通文件：二进制或文本数据，宏指令：S_ISREG()
目录文件：包含其他文件的信息，宏指令:S_ISDIR()
套接字：通过网络和其他进程通信的文件，宏指令:S_ISSOCK()

• Unix提供的宏指令根据st_mode成员来确定文件的类型

第六节 共享文件

• 关于文件共享的几个相关图片，以及每种方式的流程，在课本607页。
• 内核用三个相关的数据结构来表示其打开的文件。
• 描述符表：表项由进程打开的文件描述符来索引的，每个打开的描述符表指向文件表中的一个表项，每个进程有其独立的描述符表。
• 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。包括：当前的文件位置、引用计数、以及一个指向v-node表中对应表项的指针。
• v-node表：每个表项包含stat结构中的大多数信息，；包括st_mode和st_size成员，所有进程共享。
• 多个描述符可以通过不同的文件表表项来引用同一个文件。 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。
• 在内核删除相应文件表项之前，父子进程必须都关闭了它们的描述符。

第七节 I/O重定向

• 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。unix> ls > foo.txt
• I/O重定向是依靠dup2函数工作的。dup2函数拷贝描述符表表项oldfd到描述符表项newfd，覆盖描述符表表项newfd以前的内容。如果newfd已经打开，dup2会在拷贝oldfd之前关闭newfd。

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd,int newfd);

第八节 标准I/O

• 标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流，也就是一个指向FILE类型的结构的指针。

#include <stdio.h>
extern FILE *stdin;  /*标准输入，文件描述符为0*/
extern FILE *stdout;  /*标准输出，文件描述符为1*/
extern FILE *stderr;  /*标准错误，文件描述符为2*/

类型为file的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象，目的是使开销较高的Unix I/O系统调用的数量尽可能小。

本周代码托管链接

-本周代码托管链接

本周的遇到的问题

• 在练习10.1的代码中，运行的话是没办法直接编译这个代码的，因为没有这个“csapp.h”这个头文件，所以需要下载这个头文件，在网上查阅了相关的资料，我在最后贴出解决方案的链接。
  

• 通过上网查找发现csapp.h文件其实是作者自己弄的一个头文件，Linux中并不包含这个。网上说在教材配套网站http://csapp.cs.cmu.edu/public/code.html上可以下载。

• 但是这个网站打不开……最后，我在CSDN.NET上找到了csapp.h和csapp.c，按照网上说的在csapp.h文件中#endif前加上了#include"csapp.c"，并放到了/usr/lib文件夹中，并用gcc xxx.c -o xxx -lpthread语句通过了编译（因为代码中包含多线程）。
  

• 其中还有一点很重要就是open和close需要小写。

• 最后结合我在网上找到的内容，最终成功运行。

• 第一个是没有文本的结果：
  

• 第二个是有文本的结果：
  

其他（感悟、思考等，可选）

• 本章的内容其实不是很多，书上只有十几页的内容，但是内容其实比较多需要理解其中的具体意思，在这里我觉得老师多次提到的常翻阅课本的好处，第一次看书的时候，我对其中的一部分还是不理解，但是在第二次再次看的时候，就明显觉得好理解很多，以练习题10.1为例子，这个题目就很好的锻炼了我们的能力，需要理解代码不说，也看到了每个问题的所在，需要自己一步步解决。
• 并且网上可以找到很多有用的方法，有些很繁琐，而有些很简便，这都是自己在学习时候的收获。

练习题

10.1

• 已在上面解决

10.2

• fd1和fd2有独立的文件描述符，所以是典型的没有共享的打开文件方式
• 它们各自有各自的描述符表、文件表、v-code表，每个描述符对于foobar.txt都有它自己的文件位置，所以它们的读取是各自独立的，
• 从fd2的读操作会读取foobar.txt的第一个字节，因此最后得值是f，输出“c = f”

10.3

• 子进程会继承父进程的描述符表，以及所有进程共享的同一个打开文件表。
• 因此当子进程读取文件的第一个字节时，文件位置加一，所以父进程会读取第二个字节，输出c=o

10.4

• 要使重定向标准输入（描述符0）到描述符5，我们可以调用dup2(5,0)或者等价的dup(5,STDIN_FILENO)

10.5

• 因为重定向的关系fd1重定向到fd2，输出c=o

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	24篇	350小时
第一周	0/0行	1/2	20小时
第二周	53/53行	1/3	25/45小时
第三周	130/183行	1/4	30/75小时
第四周	0/183行	0/4	5/80小时
第五周	158/341行	1/5	30/110小时
第六周	84/425行	2/7	30/140小时
第七周	209/634行	1/7	30/170小时
第八周	0/634行	2/9	25/195小时
第九周	83/717行	2/11	30/225小时

注释

-深入理解计算机系统实验楼
-如何解决csapp.h的问题