20145305 《信息安全系统设计基础》第9周学习总结
教材学习内容总结
第十章 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：从I/O设备拷贝数据到主存
输出操作：从主存拷贝数据到I/O设备
所有语言运行时系统都提供执行I/O的较高级别的工具，为什么还要学习Unix I/O呢？
了解Unix I/O将帮助你理解其他的系统概念。I/O是系统操作不可或缺的一部分
有时你除了使用Unix I/O以外别无选择
10.1 Unix I/O
一个Unix文件就是一个m个字节的序列，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作对相应文件的读和写来执行，Unix内核引出一个简单、低级的应用接口：Unix I/O。
所有的输入输出都能以一种统一且一致的方式来执行：
打开文件：一个应用程序想访问I/O设备时会要求内核打开相应的文件，内核返回一个小的非负整数，叫做描述符。
它在后续对此文件的所有操作中标识这个文件。内核记录有关这个文件的所有信息，应用程序只需记住描述符。
每个进程开始时都有三个打开的文件：标准输入（描述符为0）、标准输出（描述符为1）、标准错误（描述符为2）
改变当前的文件位置：对于每个打开的文件，内核保持着一个文件位置k，初始为0，文件位置是从文件开头起始的字节偏移量。
应用程序能够通过执行seek操作，显示的设置文件的当前位置为k。
读写文件：读操作是从文件拷贝n>0个字节到存储器，从当前位置k开始，将k增加到k+n
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。
写操作就是从存储器拷贝n>0个字节到一个文件，从当前位置k开始，然后更新k。
关闭文件：当应用完成对文件的访问，会通知内核关闭文件。
作为响应，内核释放文件打开时创建的数据结构，并将这个描述符恢复到可用的描述符池中。
无论进程因何种原因终止，内核都会关闭所有打开的文件并释放他们的存储器资源。
10.2 打开和关闭文件
通过调用open函数来打开一个已存在的文件或创建一个新文件：
#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，若出错为-1
open函数将filename转换为一个文件描述符并返回。
flags指明了进程打算如何访问这个文件：
O_RDONLY:只读
O_WRONLY:只写
O_RDWR:可读可写
flags参数也可以是一个或更多位掩码的或：
O_CREAT:如果文件不存在就创建一个截断的（空）文件
O_TRUNC:如果文件已经存在，就截断它。
O_APPEND:每次写操作前，设置文件位置到文件的结尾处。
每个进程都有一个umask，是通过调用umask函数来设置的。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
进程通过调用close函数关闭一个打开的文件：
#include <unistd.h>
int close(int fd);
返回：若成功则为0，若出错则为-1
10.3 读和写文件
应用程序是通过分别调用read和write函数来执行输入输出的：
#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n);
返回：若成功则为读的字节数，若EOF则为0，若出错为-1
ssize_t write(int fd,const void *buf,size_t n);
返回：若成功则为写的字节数，若出错则为-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。
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
从终端读文本行
读和写网络套接字（socket）
10.4 用RIO包健壮地读写
RIO包会自动处理不足值，提供了方便、健壮和高效的I/O。RIO提供了两类不同的函数：
无缓冲的输入输出函数：直接在存储器和文件之间传送数据，没有应用级缓冲。
对二进制数据读写尤其有用。
带缓冲的输入函数：高效的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。
是线程安全的，它在同一个描述符上可以被交错的调用。
10.4.1 RIO的无缓冲的输入输出函数
通过调用rio_readn和rio_writen函数，应用程序可以直接在存储器和文件之间传送数据。
#include "csapp.h"
ssize_t rio_readn(int fd,void *usrbuf,size_t n);
返回：若成功则为读的字节数，若EOF则为0，若出错为-1
ssize_t rio_writen(int fd,void *usrbuf,size_t n);
返回：若成功则为写的字节数，若出错则为-1
rio_readn函数从描述符为fd的当前文件位置传送最多n个字节到存储器位置usrbuf。
rio_writen函数从存储器位置usrbuf传送n个字节到描述符fd的当前文件位置。
对同一个描述符，可以任意交错的调用上述两函数。
如果rio_readn和rio_writen函数被一个从应用信号处理程序的返回中断，那么每个函数都会手动地重启read或write。
10.4.2 RIO的带缓冲的输入函数
文本行是由换行符结尾的ASCII码字符序列。
包装函数rio_readlineb：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_readn带缓冲区的版本
rio_readnb:对于既包含文本行也包含二进制数据的文件，也是从读缓冲区中传送原始字节。
#include "csapp.h"
void rio_readinitb(rio_t *rp,int fd);
ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t maxlen);
ssize_t rio_readnb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t n);
返回：若成功则为读的字节数，若EOF则为0，若出错为-1
每打开一个描述符都会调用一次rio_readinitb函数
将描述符fd和地址rp处的一个类型为rio_t的读缓冲区联系起来。
rio_readlineb函数从文件rp读出一个文本行，包括结尾换行符，拷贝到存储器位置usrbuf，并用空字符来结束这个文本行。最多读maxlen-1个字节，余下的一个留给结尾的空字符。超过maxlen-1个字节的文本行被截断并用空字符结束。
rio_readnb函数从文件rp最多读n个字节到存储器位置usrbuf。
对同一描述符，可以任意交叉调用上述两函数。但带缓冲的不应和无缓冲的交叉使用。
RIO读程序的核心是rio_read函数。
rio_read函数是Unix read函数的带缓冲的版本。
当调用rio_read函数要求读n个字节时，读缓冲区内有rp->rio_cnt个未读字节。
如果缓冲区为空，会调用read填满它。
一旦缓冲区非空，rio_read就从读缓冲区拷贝n和rp->rio_cnt中较小值个字节到用户缓冲区，并返回拷贝字节数。
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，即文件的元数据。
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
int stat(const char *filename,struct stat *buf);
int fstat(int fd,struct stat *buf);
返回：若成功则为0，若出错则为-1.
stat函数以一个文件名作为输入，并填写一个stat数据结构中的各个成员。
fstat函数是相似的，只不过是以文件描述符作为输入。
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：普通文件/目录文件/套接字
Unix提供的宏指令根据st_mode成员来确定文件类型：
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？
10.6 共享文件
内核用三个相关的数据结构来表示打开的文件：
描述符表：每个进程都有独立的描述符表，由进程打开的文件描述符来索引，每个打开的描述符表项指向文件表中的一个表项。
文件表：所有进程共享，表项组成包括当前文件位置、引用计数、一个指向v-node表中对应表项的指针。引用计数为0时，内核会删除这个文件表表项。
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。
10.7 I/O重定向
I/O重定向：使用dup2函数
#include <unistd.h>
int dup2(int oidfd,int newfd);
返回：若成功则为非负的描述符，若出错则为-1
dup2函数拷贝描述符表表项oldfd到newfd，覆盖newfd以前的内容，如果newfd已经打开了，dup2会在拷贝之前关闭newfd。
10.8 标准I/O
标准I/O库（libc）：高级输入输出函数
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：复杂格式化的I/O函数
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类型的结构指针。
每个程序开始时都有三个打开的流：
stdin：标准输入
stdout：标准输出
stderr：标准错误
类型为FILE的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象，流缓冲区的目的：使开销较高的Unix I/O系统调用的数量尽可能的小。
附录A 错误处理
错误处理包装函数：给定某个基本的系统级函数foo，定义一个有相同参数的包装函数Foo。包装函数调用基本函数并检查错误。如果发现错误就打印一条信息并终止进程，否则返回调用者。即如果没有错误，包装函数的行为与基本函数完全一样。
包装函数被封装在一个源文件（csapp.c）中，被编译和链接到每个程序中。
A.1 Unix系统中的错误处理
1、Unix风格的错误处理
if((pid = wait(NULL)) < 0) {
fprintf(stderr,"wait error:%s\n",strerror(errno));
exit(0);
}
函数返回值既包括错误代码又包括有用的结果。如果遇到错误就返回-1，并将全局变量errno设置为指明错误原因的错误代码。如果成功就返回有用的结果。
2、Posix风格的错误处理
if((retcode = pthread_create(&tid,NULL,thread,NULL)) != 0) {
fprintf(stderr,"pthread_create error:%s\n",strerror(retcode));
exit(0);
}
只用返回值来表明成功（0）或者失败（非0）。任何有用的结果都返回在通过引用传递进来的函数参数中。
3、DNS风格的错误处理
if((p = gethostbyname(name)) == NULL) {
fprintf(stderr,"gethostbyname error:%s\n:",hstrerror(h_errno));
exit(0);
}
在失败时返回NULL指针，并设置全局变量h_errno。
4、错误报告函数小结
#include "csapp.h"
void unix_error(char *msg);
void posix_error(int code,char *msg);
void dns_error(char *msg);
void app_error(char *msg);
app_error函数是为了方便报告应用错误，它只是简单地打印它的输入，然后终止。
A.2 错误处理包装函数
Unix风格的错误处理包装函数
Posix风格的错误处理包装函数
DNS风格的错误处理包装函数
实践过程
WHO
who命令是查询当前登录的每个用户，输出包括用户名、终端类型、登录日期及远程主机。
man一下who，可以看到，who命令是读取/var/run/utmp文件来得到以上信息的。
man一下utmp，知道utmp这个文件，是二进制文件，里面保存的是结构体数组，这些数组是struct utmp结构体的。
伪代码：
打开记录所在文件：utmp
将文件中的记录逐条读取
每一条读取的记录都要在屏幕上打印
关闭文件
实践的代码：
老师的代码：
问题和解决过程
解决对齐问题：
由于user的长度不一，导致错位，可以换成固定长度，不足补0的方法显示
解决显示记录多的问题：
utmp中保存的用户，不仅仅是已经登陆的用户，还有系统的其他服务所需要的，所以在显出所有登陆用户的时候，应该过滤掉其他用户，只保留登陆用户。在utmp结构中的ut_type可以区别，登陆用户的ut_type是USER_PROCESS，加一个判断就可以了
代码托管
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 | 200/200 | 2/2 | 30/30 | |
| 第二周 | 300/500 | 1/3 | 20/50 | |
| 第三周 | 100/600 | 1/4 | 20/70 | |
| 第五周 | 300/900 | 1/5 | 30/100 | |
| 第六周 | 136/1036 | 1/6 | 20/120 | |
| 第七周 | 124/1160 | 1/7 | 20/140 | |
| 第八周 | 0/1160 | 3/10 | 20/160 | |
| 第九周 | 338/1498 | 1/11 | 25/185 |
