信息安全系统设计基础第9周学习总结

第十章 系统级I/O

10.1  UNIX  I/O

1：系统级I/O

     什么是UNIX I/O？

    所有的I/O设备，如网络、磁盘都被模型化为文件，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。这种将设备映射为文件的方式，

    允许UNIX内核引出一个简单、低级的应用接口，称为UNIX I/O。

2：输入输出I/O是在主存和外部设备（如磁盘，网络和终端）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。

3：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，它在后续对此文件的

     所有操作中标识这个文件。内核记录有关这个打开文件的所有信息，头文件可用来代替显式的描述符。

     UNIX外壳创建的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）和标准错误（描述符为2)。

4：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。这个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，显式地设置文件的当前位置为k。

 

3：读写文件：一个读操作就是从文件拷贝N个字节到存储器；给定一个大小为m字节的文件，当k大于等于m是会触发一个称为（EOF）的条件。

     写操作就是从存储器拷贝n个字节到一个文件。

4：关闭文件，内核释放文件打开是创建的数据结构，并恢复描述符到描述符池中。

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。

2：flags参数表示进程打算如何访问这个文件，它的值包括：O_RDONLY、O_WRONLY 、O_RDWR。

3：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、O_TRUNC：如果文件已经存在，就截断它，O_APPEND

4：mode参数指定了新文件的访问权限位。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。

5：关闭文件，应用完成了对文件的访问之后，就通知内核关闭这个文件，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。进程终止，内核也会关闭所有打开的文件并释放他们的存储器资源。

10.3　读和写文件 

应用程序是通过分别调用系统函数 read和write函数来执行输入和输出的。
返回值-1表示错误，0表示EOF；

在某些情况下，read和write传送的字节比应用程序要求的要少，称为：不足值。

出现这种情况的可能的原因有：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和带缓冲的输入函数。

• 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，对二进制数据在网络上读写尤其有用：因为对同一个描述符，可以任意交错地调用rio_ readn和rio_ writen，rio_ writen绝不会返回不足值。
• 带缓冲的输入函数：rio_ reanlineb从文件独处一个文本行，拷贝至存储器位置usrbuf，空字符以结束这个文本行（最多读取maxlen-1个字节）；rio_ readnb从文件最多读n个字节到存储器位置usrbuf。

• 注意: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。

10.5　读取文件元数据 

1：文件的元数据：

     a.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。

     b.stat以一个文件名为输入，并且填充buf结构体。

        stat函数结构：st_size成员包含了文件的字节数大小。st_mode成员则编码了文件访问许可位和文件类型。

     c.fstat函数只不过是以文件描述符而不是文件名作为输入。

2：文件类型：普通文件，某种类型的二进制或文本数据； 

                    目录文件：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。

3：Unix提供的宏指令根据st_mode成员来确定文件的类型。

 

10.6　共享文件 

内核用三个相关数据结构来表示打开的文件：描述符表、文件表、v-node表。

描述符表： 每个进程都有其独立的描述符表，每个打开的该表表项指向文件表中的一个表项；

文件表：表示打开文件的集合，所有进程共享； 
v-node表：进程共享，包含stat结构大多数信息。

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。

内核删除相应文件表表项之前，父子进程必须都关闭了它们的描述符。

 

10.7　I/O重定向

1: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。

2:I/O重定向的工作方式： 一种是使用dup2函数。
   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。

10.8　标准I/O

1. ANSI C定义了一组高级输入输出函数，成为标准I/O库，为程序员提供了Unix I/O的较高级别的替代。这个库（libc）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）、以及复杂的格式化I/O函数（printf和scanf）。

2. 标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流。对于程序员而言，一个流就是一个指向FILE类型的结构的指针。