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

l   输入/输出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。输入操作时从I/O设备拷贝数据到主存，而输出操作时从主存拷贝数据到I/O设备。

 

第一节   Unix I/O

一、一个Unix文件就是一个m个字节的序列：B0，B1，B2，B3...Bk...Bm-1。

 

二、应用接口Unix I/O。

所有的I/O设备，如网络、磁盘盒终端，都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当做对相应的文件的读和写来执行。

①打开文件：一个应用程序通过要求内核打开相应地文件，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。应用程序只需要记住这个标识符。

Unix外壳穿件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）、标准错误（描述符为2）。头文件<unistd.h>定义了常量STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、STDERR_FILENO，它们而已用来代替显式的描述符值。

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。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>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。给定一个大小为m字节的文件，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。在文件结尾处并没有明确的“EOF”符号。

类似的，写操作就是从存储器拷贝n>0个字节到一个文件，从当前文件位置k开始，然后更新k。

④关闭文件。当应用完成了对文件的访问之后，它就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中。无论一个进程因为何种原因终止时，内核都会关闭所有打开的文件并释放他们的存储器资源。

  

第二节   打开和关闭文件

一、open函数

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

 

二、flags参数

1、指明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

2、可以是一个或者更多位掩码的或，为写提供给一些额外的指示

O_CREAT：如果文件不存在，就创建它的一个截断的（空的）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

 

三、mode参数

mode参数指定了新文件的访问权限位。这些位的符号名字所示。作为上下文的一部分，每个进程都是一个umask，它是通过调用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。

 

四、访问权限位在sys/stat.h中的定义

 

l   代码示例

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

 

//给定mode和umask的默认值

#define DEF_MODE   S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH

#define DEF_UMASK  S_IWGRP|S_IWOTH

 

//进程通过调用open函数打开一个已存在的文件或者创建一个新文件

int open(char *filename,int fliags,mod_it mode)；//返回值成功为新文件描述符，出错为-1

fd=Open("foo.txt",O_RDONLY,0);//如何以读的方式打开一个已存在的文件

fd=Open("foo.txt",O_WRONLY|O_APPEND,0);//如何打开一个已存在文件，并在后面添加一些数据

 

//创建一个新文件，文件的拥有者有读写权限，而所有其他的用户都有读权限

umask(DEF_UMASK);

fg=Open("foo.txt",O_CREAT|O_TRUNC|O_WEONLY,DEF_MODE);

 

//通过调用close函数关闭一个打开的文件

int close(int fd);//返回值成功为0，出错为-1

 

第三节   读和写文件

一、应用程序通过分别调用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

 

二、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

 

三、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

 

l   代码示例

 

#include  "csapp.h"

int main(void)

{

    char c;

    while(Read(STDIN_FILENO,&c,1)!=0)

        Write(STDOUT_FILENO,&c,1);

    exit(0);

} 

 

l   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：

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。

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。如果想创建简装的诸如web服务器这样的网络应用，就必须通过反复调用read和write处理不足值，直到所有需要的字节都传送完毕。

 

第四节   用RIO包健壮地读写

一、RIO包自动处理不足值

RIO提供了两类不同的函数：

1、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，他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。

2、带缓冲的输入函数。这些函数允许你高效地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，类似于像printf这样的标准I/O函数提供的缓冲区。是线程安全的，它在同一个描述符上可以被交错地调用。例如，可以从一个描述符中读一些文本行，然后读取一些二进制数据，接着再多读取一些文本行。

 

二、RIO的无缓冲的输入输出函数

通过调用rio_readn和rio_writen函数，应用程序可以在存储器和文件之间直接传送数据。

 

l   代码示例

#include "csapp.h"

//返回值：若成功为传送的字节数，若EOF则为0，出错为-1

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

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

 

rio_readn函数从描述符fd的当前文件位置最多传送n和字节到存储器位置usrbuf。类似地，rio_writen函数从位置usrbuf传送n个字节到描述符fd。rio_readn函数遇到EOF时只能返回一个不足值。rio_writen函数绝不会返回不足值。对于同一个描述符，可以任意交错地调用rio_readn和rio_writen。

 

如果rio_readn和rio_writen函数被一个从应用信号处理程序的发放你会中断，那么每个函数都会手动地重启read或write。为了尽可能有较好地可移植性，允许被中断的系统调用，并在必要时重启他们。

 

三、RIO的带缓冲的输入函数

1、一个文本行就是一个由换行符结尾的ASCII码字符序列。在Unix系统中，换行符（‘\n'）与ASCII码换行符（LF）相同，数字值为0x0a。

 

2、用一个程序来计算文本文件中文本行的数量：

①用read函数来一次一个字节地从文件传送到用户存储器，检查每个字节来查找换行符。这个方法的缺点是效率低，每读取文件中的一个字节都要求陷入内核。

②另一种方法是调用一个包装函数（rio_readlineb），它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。对于既包含文本行也包含二进制数据的文件，我们也提供了一个rio_readn带缓冲区的版本，叫做rio_readnb，它从和rio_readlineb一样的读缓冲区中传送原始字节。

 

l   代码示例

#include "csapp.h"

void rio_readinitb(rio_t *rp,int fd);//无返回

ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t maxlen);

ssize_t rio_readnb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t n);//返回值：若成功为读得字节数，若EOF则为0，若出错为-1

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

{

    size_t nleft=n;

    ssize_t nread;

    char *bufp=usrbuf;

    while(nleft>0){

        if((nread=read(fd,bufp,nleft))<0){

            if(errno==EINTR)

                nread=0;

            else

                return -1;

        }

        else if (nread==0)

            break;

        nleft-=nread;

        bufp+=nread;

    }

    return(n-nleft);

}      

 

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

{

    size_t nleft=n;

    ssize_t nwritten;

    char *bufp=usrbuf;

    while(nleft>0){

        if((nwritten=write(fd,bufp,nleft))<=0){

            if(errno==EINTR)

                nwritten=0;

            else

                return -1;

        }

        nleft -=nwritten;

        bufp+=nwritten;

    }

    return n;

}

l   每打开一个描述符都会调用一次rio_readinitb函数。它将描述符fd和地址rp的一个类型为rio_t的读缓冲区联系起来。

 

四、RIO读程序核心：rio-read函数

当调用rio_read要求读n个字节时，读缓冲区内有rp->rio_cnt个未读字节。如果缓冲区为孔，那么会通过调用read再填满它。这个read调用收到一个不足值并不是错误，只不过读缓冲区是填充了一部分。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，并返回拷贝的字节数。

 

l   代码示例：

static ssize_t rio_read(rio_t *rp,char *usrbuf,size_t n)

{

    int cnt;

    while(rp->rio_cnt<=0)//如果缓冲区为空，先调用函数填满缓冲区再读数据

    {

        rp->rio_cnt=read(rp->rio_fd,rp->rio_buf,sizeof(rp->rio_buf));//调用read函数填满缓冲区

        if(rp->rio_cnt<0)//排除文件读不出数据的情况

        {

            if（error != EINTR）

            {

                return -1;

            }

        }

        else if(rp->rio_cnt=0)

            return 0;

        else

            rp->rio_bufptr = rp->rio_buf;//更新现在读到的位置

    }

    cnt=n;

    if(rp->rio_cnt<n)

        cnt=rp->rio_cnt;//以上三步，将n与rp->rio_cnt中较小的值赋给cnt

    memcpy(usrbuf,rp->rio_bufptr,cnt);把读缓冲区的内容拷贝到用户缓冲区

    rp->rio_bufptr+=cnt;

    rp->rio_cnt-=cnt;

    return cnt;

}

 

第五节   读取文件元数据

一、应用程序通过调用stat和fstat函数，检索到关于文件的信息（元数据）。

l   代码示例：

#include <unistd.h>

#include <sys/stat.h>

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

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

 

#

stat函数以文件名作为输入

fstat函数以文件描述符作为输入

stat数据结构中的重要成员：st_mode,st_size

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

#

 

二、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

一、内核用三个相关的数据结构来表示打开的文件：

1、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

2、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

3、v-node表：所有进程共享这张表，包含stat结构中的大多数信息

 

二、三种打开文件的类型：

1、典型：描述符各自引用不同的文件，没有共享

 

2、共享：多个描述符通过不同的文件表表项引用同一个文件。（关键思想：每个描述符都有自己的文件位置，对不同描述符的读操作可以从文件的不同位置获取数据）

 

3、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

 

第七节   I/O重定向

一、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

 

二、重定向使用dup2函数

int dup2(int oldfd,int newfd);

 

三、dup2函数拷贝描述符表表项oldfd到描述符表表项newfd，覆盖描述表表项newfd以前的内容。

 

四、如果newfd已经打开，dup2会在拷贝oldfd之前关闭newfd

 

 第八节   标准I/O

一、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）

 

二、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

 

三、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

 

四、类型为FILE的流是对文件描述符和流缓存区的抽象

 

 遇到的问题

本章中大多数代码运行需要头文件csapp.h，否则无法编译，在小组话题中看到了相同问题和老师解答，还在尝试编译中