信息安全系统设计基础第九周学习总结

第十章 系统级I/O

• 输入/输出（I/O）是在主存和外部设备（如磁盘驱动器、终端和网络）之间拷贝数据的过程。
• 输入就是从I/O设备拷贝数据到主存，而输出就是从主存拷贝数据到I/O设备。
• 所有语言的运行时系统都提供执行I/O的较高级别的工具。例如，ANSI C提供标准I/O库，包含像printf和scanf这样执行带缓冲区的I/O函数。C++语言用它的重载操作符<<（输出）和>>（输入）提供了类似的功能。在UNIX系统中，是通过使用由内核提供的系统级Unix I/O函数来实现这些比较高级的I/O函数的。

10.1 Unix I/O

• 每个unix文件都是一个m字节的序列；所有I/O设备如网络、磁盘和终端都被模型化为文件，而输入和输出就是对这些文件的读写操作。

• Unix系统中输入输出的操作：

  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。

  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（从文件开头起始的字节偏移量）。

  读写文件。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。

  关闭文件。应用通知内核关闭这个文件；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当中。

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者创建一个新文件：

  `#include  <sys/type.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，并且返回描述符数字。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。

• flags参数也可以是一个或者更多位掩码的或，提供一些额外的指示：

   -O_CREAT：如果文件不存在，就创建他的一个截断的（truncated)（空）文件。
   -O_TRUNC：如果文件已经存在，就截断它。
   -O_APPEND：在每次写操作前，设置文件位置到文件的结尾处。
  

• 打开文件：

  fd = Open("文件名",flag位——表示访问方式及额外提示，mode参数);//出错的时候返回-1

  • 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。 以上为访问权限位。在sys/stat.h中定义。
• 关闭文件：

int close(int fd);//若成功则返回0，不成功则为-1。

10.3 读和写文件

1. 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。

• 读函数

  ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n);//成功则返回n；EOF返回0；出错返回-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。 - 在某些情况下，read和write传送的字节比应用程序要求的要少。出现这种情况的可能的原因有：

读时遇到EOF。假设该文件从当前文件位置开始只含有20个字节，而应用程序要求我们以50个字节的片进行读取，这样一来，这个read的返回的值是20，在此之后的read则返回0。

从终端读文本行。如果打开的文件是与终端相关联的，那么每个read函数将一次传送一个文本行，返回的不足值等于文本行的大小。

读和写socket。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导致read和write返回不足值。

10.4 用RIO包健壮地读写

RIO提供了两类不同的函数：

无缓冲的输入输出函数
带缓冲的输入函数

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(允许被中断的字节调用，并在必要的时候重启它们)。

  `ssizet riowriten(int fd,const void *usrbuf,size_t n);

  ssizet riowriten(int fd,const void *usrbuf,size_t n);`

rio__writen函数遇到EOF的时候返回0；

rio__readn遇到EOF的时候返回不足值（即 不足n的那个部分的字节数）。

• 带缓冲的输入函数：

  允许用户高效地从文件中读取文本行和二进制数据（之前是一次读一个字节，应用这个函数之后，可以一次读一行函数）。 原理：

    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。
  

rio的带缓冲的输入函数详解

• rioreadinitb(riot *rp,int fd);

  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。

• rioreadnb(riot *rp,void *usrbuf,size_t n) ;

  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。

• ssizet readlineb(riot *rp,void *usrbuf,size_t maxlen);

  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。

• RIO读程序的核心是rioread函数，rioread函数可以看成是Unix read函数的带缓冲区的版本。当调用rioread要求读取n个字节的时候，读缓冲区内有rp->riocnt个未读的字节。如果缓冲区为空的时候，就会调用read系统函数去填满缓冲区。这个read调用收到一个不足值的话并不是一个错误，只不过读缓冲区的是填充了一部分。

• 一旦缓冲区非空，rioread就从读缓冲区拷贝n和rp->riocnt中较小值个字节到用户缓冲区，并返回拷贝字节的数目。
• 对于应用程序来说，rioread和系统调用read有着相同的语义。出错时返回-1；在EOF时，返回0；如果要求的字节超过了读缓冲区内未读的字节的数目，它会返回一个不足值。rioreadlineb函数多次调用rio_read函数。每次调用都从读缓冲区返回一个字节，然后检查这个字节是否是结尾的换行符。
• rio_readlineb函数最多读取（maxlen-1)个字节,余下的一个字节留给结尾的空字符。超过maxlen-1字节的文本行被截断，并用一个空字符结束。

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。

• 函数格式：

  `#include <unistd.h>

  #include <sys/stat.h>

  int stat(cost char *filename,struc sta *buf);

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

• 这两个函数都需要填写stat结构体的各个成员。这里举两个例子：stsize包含了文件的字节数大小；stmode则编码了文件访问许可位和文件类型（目录文件：包含关于其他文件的信息；套接字是一种用来通过网络与其他进程通信的文件）。

• 目录文件包含关于其他文件的信息。套接字是一种用来通过网络与其他进程通信的文件。Unix提供的宏指令根据st_mode成员来确定文件的类型。这些宏的一个子集如下：

  

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：所有进程共享这张表，每个表项包括文件位置，引用计数，以及一个指向v-node表对应表项的指针
  • v-node表：所有进程共享这张表，包含stat结构中的大多数信息

• 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
  文件表：所有进程共享这张表，每个表项包括文件位置，引用计数，以及一个指向v-node表对应表项的指针
  继承：子进程继承父进程打开文件。调用fork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
  

10.7　i/o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。
• I/O重定向的工作方式： 一种是使用dup2函数。

`include <unisted.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。

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

10.9　综合：我该使用哪些i/o函数

这一章讨论过的各种I/O包

• 标准I/O流，从某种意义上来说是全双工的，因为程序能够在同一个流上执行输入和输出。
• 建议在网络套接字上不要使用标准I/O函数来进行输入和输出。而要使用健壮的RIO函数。

10.10 小结

• Unix提供了少量的系统级函数，它们允许应用程序打开、关闭、读和写文件，提取文件的元数据，以及执行I/O重定向。Unix的读和写操作会出现不足值，应用程序必须能正确地预计和处理这种情况。应用程序不应直接调用unⅸ I/O函数，而应该使用RIO包，RIO包通过反复执行读写操作，直到传送完所有的请求数据，自动处理不足值。
• Unix内核使用三个相关的数据结构来表示打开的文件。描述符表中的表项指向打开文件中的表项，而打开文件表中的表项又指向v-node表中的表项，每个进程都有它自己单独的描述符表，而所有的进程共享同一个打开文件表和v-node表，理解这些结构的一般组成就能使我们清楚地理解文件共享和I/O重定向。
• 标准I/O库是基于Unix I/O实现的，并提供了一组强大的高级I/O例程，对于大多数应用程序而言，标准I/O更简单，是优于Unix I/O的选择。然而，因为对标准I/O和网络文件的一些相互不兼容的限制，Unix I/O比标准I/O更适用于网络应用程序。

10.11 心得体会

这一章其实看起来内容挺少，但我觉得是真正的精髓在这里面，是知啊前学过的总结之后上升的一个很大的层次，所以很多代码看懂都要很费劲，要时不时的去看之前的内容，一边复习，一边学习这一章。。。 遇到的问题其实一直都是虚拟机打不开的问题，之前老师发过的别人的解决办法的博客我去看了也无法解决，找了很多大神都没找到问题，其中有位大神就帮我弄的时候电脑还遭遇了很大的问题，就是硬盘损坏，花了400块钱才换了新的硬盘，这都是10月份的事情了，至今都不敢在动虚拟机。。