20145231 《信息安全系统设计基础》第9周学习总结

20145231《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 程序间的交互和通信

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，而输出操作是从主存拷贝数据到I/O设备。

输入：从I/O拷贝到主存，输出：从主存拷贝到I/O

Unix IO（系统级IO）虽然是低级别的，但是了解它有助于理解其他的系统概念；而且有时候你只能使用Unix IO，比如网络编程。

Unix中所有的IO都被模型化为文件，输入输出则用读写文件来操作。

10.1 Unix I/O

一个Unix文件就是一个M个字节的序列：B0，B1，...B（m-1），所有的I/O设备都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当做对相应文件的读和写来执行。

这种将设备优雅的映射为稳健的方式，允许Unix内核引出一个简单、低级的应用接口，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：打开文件、改变当前文件中位置、读写文件、关闭文件。

10.2 打开关闭文件

打开文件：文件通过要求内核打开相应文件，来宣告他想要访问一个IO设备，内核会返回一个小的非负数，描述符，后续操作中标出文件。

  #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。

返回的描述符总是在进程中当前没有打开的最小描述符。

flags参数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。

O_CREAT:如果文件不存在，就创建一个截断的空文件。

O_TRUNC：如果文件已存在，就截断他。

O_APPEND：在每次操作前，设置文件位置到文件的结尾处。

改变当前的文件位置：内核保存文件位置k，初始值为0，字节偏移量，通过seek设置k。
读写文件：应用程序检测k是否大于m（文件大小）来决定是否到了结尾，而在文件结尾并没有明确的EOF。

关闭文件：通知内核关闭文件，内核释放打开时创建的数据结构，释放描述符，放到描述符池中。

  #include<unistd.h>
  int close(int fd);

返回：若成功则为0，若出错则为-1。

不足值（short count）：

EOF；从终端读取文本行；读写网络套接字。

读写磁盘文件不会遇到不足值。

Rio（Robust IO):

无缓冲的输入输出：存储器和文件之间直接传送数据，网络操作时使用。

带换行的输入函数：线程安全。

软件构造领域的定义在软件构造领域，元数据被定义为：在程序中不是被加工的对象，而是通过其值的改变来改变程序的行为的数据。它在运行过程中起着以解释方式控制程序行为的作用。在程序的不同位置配置不同值的元数据，就可以得到与原来等价的程序行为。

mode参数：

10.3读和写文件

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);//0 EOF，-1 错误，n实际传送的字节数。

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);// size_t是unsigned ssize_t有符号

/ssize_t可以用来表示出错时必须返回的-1，但却使read值从4GB 减小到2GB/

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。而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。返回值要么为-1要么为写入的字节数目。

#include "csapp.h"

int main(void) 
{
    char c;

    while(Read(STDIN_FILENO, &c, 1) != 0) 
    Write(STDOUT_FILENO, &c, 1);
    exit(0);
}

关于在文件中定位使用的函数为lseek，在I/O库中使用的函数为fseek。(ps：size_t和ssize_t的区别，前者是unsigned int，而后者是int)

有些情况下，read和write传送的字节比应用程序要求的要少，出现这种情况的原因如下：

读时遇到EOF。此时read返回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，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。可能会出现阻塞现象。

实际上，除了EOF，在读磁盘文件时，将不会遇到不足值，而且在写磁盘文件时，也不会遇到不足值。然而，如果你想创建健壮的网络应用，就必须反复调用read和write处理不足值，直到所有需要的字节都传送完毕。

10.4用RIO包健壮地读写

这个包会处理上面的不足，RIO提供了方便、健壮和高效的I/O。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，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

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

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

对同一个描述符，可以任意交错地调用rio_readn和rio_writen。一个问本行的末尾都有一个换行符，那么像读取一个文本中的行数怎么办，使用read读取换行符这个方法不是很妥当，可以调用一个包装函数（rio_readineb），它从一个内部读缓冲区拷贝一个文本行，当缓冲区为空时，会自动地调用read重新填满缓冲区。也就是说，这些函数都是缓冲区操作而言的。

10.5读取文件元数据（文件信息）：

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（有时也称为文件的元数据）

#include <sys/stat.h>

#include <unistd.h>

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

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

若成功，返回0，若出错则为-1.stat以一个文件名为输入，并且填充buf结构体。fstat函数只不过是以文件描述符而不是文件名作为输入。

struct stat {

#if defined(__ARMEB__)
 unsigned short st_dev;
 unsigned short __pad1;
#else
 unsigned long  st_dev;
#endif
 unsigned long  st_ino;
 unsigned short st_mode;
 unsigned short st_nlink;
 unsigned short st_uid;
 unsigned short st_gid;
#if defined(__ARMEB__)
 unsigned short st_rdev;
 unsigned short __pad2;
#else
 unsigned long  st_rdev;
#endif
 unsigned long  st_size;
 unsigned long  st_blksize;
 unsigned long  st_blocks;
 unsigned long  st_atime;
 unsigned long  st_atime_nsec;
 unsigned long  st_mtime;
 unsigned long  st_mtime_nsec;
 unsigned long  st_ctime;
 unsigned long  st_ctime_nsec;
 unsigned long  __unused4;
 unsigned long  __unused5;

};

其中st_size成员包含了文件的字节大小。st_mode为文件访问许可位。UNIX提供的宏指令根据st_mode成员来确定文件的类型：S_ISREG(),这是一个普通文件么；S_ISDIR(),这是一个目录文件么；S_ISSOCK()这是一个网络套接字么。使用一下这个函数

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    int fd,size;
    struct stat buf_stat;
    memset(&buf_stat,0x00,sizeof(buf_stat));
    fd=stat("stat.c",&buf_stat);
        printf("%d\n",(int)buf_stat.st_size);
    return 0;
    }

Unix识别大量文件：普通文件（二进制或者文本）；目录文件爱你（包含其他文件的信息）；套接字（网络和其他进程通信）。

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（descriptor table）每个进程都有它独立的描述符表，它的表项是由进程打开的文件描述符来索引的。每个打开的描述符表项指向文件表中的一个表项。

文件表(file table) 打开文件的描述符表项指向问价表中的一个表项。所有的进程共享这张表。每个文件表的表项组成包括由当前的文件位置、引用计数（既当前指向该表项的描述符表项数），以及一个指向v-node表中对应表项的指针。关闭一个描述符会减少相应的文件表表项中的应用计数。内核不会删除这个文件表表项，直到它的引用计数为零。

v-node表（v-node table）同文件表一样，所有的进程共享这张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。

描述符1和4通过不同的打开文件表表项来引用两个不同的文件。这是典型的情况，没有共享文件，并且每个描述符对应一个不同的文件。

多个描述符也可以通过不同的文件表表项来应用同一个文件。如果同一个文件被open两次，就会发生上面的情况。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。

父子进程也是可以共享文件的，在调用fork()之前，父进程如第一张图，然后调用fork()之后，子进程有一个父进程描述符表的副本。父子进程共享相同的打开文件表集合，因此共享相同的文件位置。一个很重要的结果就是，在内核删除相应文件表表项之前，父子进程必须都关闭了他们的描述符。

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。

实践学习总结

学习过程中的问题和解决过程

教材学习中遇到的问题

对于带缓冲区和不带缓冲区的输入输出函数部分的内容及代码不是特别理解。

实践中遇到的问题

无

代码托管截图

托管链接

心得体会

看似简单，学习量较少，实则深奥抽象，学得很模糊。但是通过看视频掌握了man、grep命令。

学习进度条

	博客量（新增/累积）	学习时间（新增/累积）	重要成长
目标	30篇	400小时
第一周	1/1	20/20	学习了Linux核心命令
第二周	1/2	21/41	学习了vim、gcc、gdb指令
第三周	1/3	20/61	学习了信息的表示和处理，了解了二进制在计算机系统中的重要性
第五周	1/4	20/81	学习了机器级程序，读懂汇编代码
第七周	1/6	18/118	了解了存储器层次结构及存储技术
第八周	2/8	15/133	对前几周内容进行复习
第九周	1/9	5/138	了解程序间的交互和通信