20135220谈愈敏--信息安全系统设计基础第八周学习总结

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。

mode参数指定了新文件的访问权限位，具体符号如图所示：

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。

例：两个描述符通过不同的打开文件表表项来引用两个不同的文件，没有共享

例：多个描述符通过不同的文件表表项来引用同一个文件

例：父子进程共享相同的打开文件表集合，共享相同的文件表位置。

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。

例：图3中调用dup2(4,1)后，两个描述符都指向文件B，文件A被关闭并且它的文件表和v-node表也被删除了，文件B的引用计数增加。

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

学习总结

这章的内容相对比较简单，也比较简短，前面总的介绍了输入输出函数的统一方式，就是我认为的一般步骤：打开文件，改变当前的文件位置，读写文件，关闭文件，而后的各节分别就每个步骤进行了更详细一些的说明与介绍，以大概的函数格式描述了各个步骤，让我们先学概念，再进行实用，整章下来，思绪联系很紧密，从总到分，让人接受起来也更容易，而附录A介绍了各种风格的错误处理与对应的错误处理包装函数，扩充我们的认知，了解到更多。

参考资料

课本第十章，附录A，其中截图均来自《深入理解计算机系统》pdf版。

实践内容

根据老师所给的实践代码，在虚拟机中运行了各个代码，理解代码功能及内容。首先是要把代码拷贝到共享文件夹，经过编译之后再运行测试。

ls

ls老师给了两个代码，第一个实现功能显示当前文件家内容，第二个在第一个的基础上更加完善，还可显示出文件的详细信息，如读写权限，大小和创建时间等。

ls实现的功能：
ls -l
ls -a 
ls -lu:最后访问时间
ls -s:以块为单位的文件大小
ls -t:按时间排序
ls -F：显示文件类型

列出文件目录
显示文件信息

文件树
文件和目录被组织成目录树(tree)，节点是目录或者文件
目录是一种特殊文件，文件内容就是目录和文件的名字，与utmp类似
与文件不同，目录不会为空

伪代码：

打开目录文件
针对目录文件
读取目录条目
显示文件名
关闭文件目录文件

如下是运行过程：

who

who也有两个代码，运行的结果是一样的，代码实现的功能是一样的，主要是从UTMP_FILE文件中读取信息到存储器中，然后再用标准输出函数打印到屏幕上，最后关闭文件。

打开utmp文件
针对文件
读取一条记录
显示记录
关闭文件

如下是运行过程：

cp

用来复制文件，函数大致步骤：

打开源文件
创建目标文件
针对源文件
把源文件读入缓冲区
把缓冲区内容写入目标文件
关闭源文件和目标文件

cp命令使用格式：cp src dst

运行以下命令：实现复制操作

操作之后cp1.c里面的内容被更改：

setecho & echostate

setecho：是设置echo值的一个函数，输入yes后，键盘键入命令是可见的，而输入no后，键盘键入命令是不可见的，但是依然是可执行的。

echostate：这个函数是用来检查键盘键入命令是否可见，是与以上的setecho代码结合起来的。

注意这个过程中会有命令不可见的情形，所以很容易运行出错，必须仔细。

fileinfo & filesize

fileinfo：可显示文件信息。

filesize：可计算文件的字节数。

以上两个代码都是先判断是否有错误，有错就打印报错信息，没有就执行功能代码。

testioctl