[CSAPP笔记][第十章 系统级I/O]

第十章 系统级I/O

输入/输出(I/O) : 是指主存和外部设备(如磁盘，终端，网络)之间拷贝数据过程。

• 高级别I/O函数
  • scanf和printf
  • <<和>>
  • 使用系统级I/O函数实现
• 系统级I/O函数。
  • Q:大多数时候高级别I/O函数都运行良好，为什么我们还要学Unix I/O
  • A:
    • 了解Unix I/O将帮助你理解其他的系统概念。
      • 要深入理解其他概念，必须理解I/O。
    • 有时你除了使用Unix I/O别无选择
      • 标准I/O库没有提供读取文件元数据的方式。
        • 如文件大小或文件创建时间。
      • 用于网络编程十分冒险。

10.1 Unix I/O

• 一个Unix 文件就是一个m个字节的序列:

  • 所有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相应文件的读和写。
• 设备优雅地映射成文件，允许Unix内核引出一个简单，低级的应用接口。叫做Unix I/O
  • 使得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: 应用程序要求内核打开文件
      • 内核返回一个小的非负整数，叫做描述符
        • 等于内核分配一个文件名，来标示当前的文件。
        • 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标示符。
      • Unix外壳创建进程时都有三个打开的文件
        • 标准输入(标示符0)
        • 标准输出(标示符1)
        • 标准错误(标示符2)
        • 头文件<unistd.h>定义了常量代替显式的描述符值
          • STDIN_FILENO
          • STDOUT_FILENO
          • STDERR_FILENO
  • 改变当前文件的位置(非文件目录)
    • 对于每个打开的文件，内核保持一个文件位置k
      • 初始为0。
      • 文件位置即是从文件开头起始的字节偏移量。
    • 执行lseek操作，可以显式地设置文件位置。
  • 读写文件。
    • 一个读操作就是从文件拷贝n个字节到存储器,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(或者说信号?)
        • 文件结尾并没有这样的符号。
      • 写操作就是从存储器拷贝n个字节到一个文件，从当前文件位置k开始，然后更新k。
    • 关闭文件 :当应用程序完成了文件的访问，通知内核关闭文件。
      • 响应
        • 内核释放文件打开时创建的数据结构。
        • 将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被关闭，内核会关闭所有它打开的文件。

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的

#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，并且返回描述符数字。

• 返回的描述符总是在进程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:
  • 可是以一个多个掩码的或。(拿二进制思想思考)
  • O_RDONLY: 只读
  • O_WRONLY: 只写
    • O_CREAT : 如果文件不存在，就创建一个截断的(truncated)(空)文件。
    • O_TRUNC : 如果文件已存在，就截断它(长度被截为0，属性不变)
    • O_APPEND: 在每次写操作前，设置文件位置到文件的结尾

  • O_RDWR: 可读可写

    例子代码
    
    //已只读模式打开一个文件
    fd = Open("foo.txt",O_RDONLY,0);
    //打开一个已存在的文件，并在后面面添加一个数据
    fd = Open("foo.txt",O_WRONLY|O_APPEND,0);

• mode参数指定了新文件的访问权限位。
  • 每个进程都有umask
    • 权限掩码，或 权限屏蔽字
    • 所有被设置的权限都要减去这个权限掩码才是实际权限。
      • 777-022=755 或者是 777&~022。
    • 通过umask()函数设置
  • mode并不是实际权限
    • 文件的权限位被设置为mode & ~umask，也可以表示两者相减。

  • 例子

    #define DEF_MODE S_IRUSR|S_IWUSER|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH
    //所有人都能读和写
    #define DEF_UMASK S_IWGRP|S_IWOTH //屏蔽了用户组的写和其他人的写
    
    umask(DEF_UMASK);
    fd=oepn("foo.txt",O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY,DEF_MODE);
    //创建了一个新文件，文件的拥有者有读写权利，其他人只有读权限。(屏蔽了用户组的写和其他人的写)

  

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

关闭一个已关闭的描述符会出错。

10.3 读和写文件

调用read和write完成输入输出

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n);
//read函数从描述符fd的当前文件位置拷贝最多n个字节到存储器buf

                    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)
//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:若成功则为写的字节数，若出错则为-1

展示了一个程序使用read和write调用一次一个字节的从标准输入拷贝到标准输出。

通过调用lseek函数，应用程序能够显示地修改当前文件的位置

ssize_t 和 size_t 有什么区别

• size_t:被定义为unsigned int
• ssize_t:被定义为int
• 为了出错的时候，返回-1.
• 有趣的是，因为这个-1，使得read的最大值减小了一半。

在某些情况，read和write传送的字节比应用程序要求的要少，有以下原因。
这样的情况返回的值叫做不足值。

• 读时遇到EOF。
• 从终端读文本行(stdin和STDIN_FILENO)
  • 不足值等于文本行的大小。
• 读和写网络套接字(socket)
  • 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。
  • 你向创建健壮的诸如Web服务器这样的网络应用，就必须反复调用read和write处理不足值，知道所有需要的字节传送完毕。

一般的磁盘文件除了EOF外，一般不会遇到不足值的问题。

10.4 用RIO包健壮地读

RIO包: 全称 Robust I/O包，健壮的I/O包。会自动的处理上文中所述的不足值。

提供两类不同的函数:

• 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。
  • 他们对二进制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
  • 允许你高效地从文件中读取文本行和二进制数据。
  • 这些文件内容缓存到应用级缓冲区内。
• 带缓冲的RIO输入函数是线程安全的，在同一个描述符可以交错调用

10.4.1 RIO的无缓冲的输入输出函数

• 与普通read,write区别
  • 在读写网络套接字的时候不会产生不足值
    • 即rio_writen不可能返回不足值
  • 线程安全的。
  • 当wirte,read被应用信号处理程序的返回中断时，允许手动重启。

源代码

10.4.2 RIO的带缓冲的输入函数

一个文本行就是由一个换行符结尾的ASCII码字符序列。

• 在Unix系统里，换行符(\n)与ASCII码换行符LF相等，数字值为0x0a

rio_readnb和rio_readlineb 引入

假设我们要编写一个程序计算文本文件中文本行的数量如何实现?

• 方案1: read函数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。
  • 效率低，每读取文件中的一个字符都要求陷入内核。
• 更好的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，会调用read重新填满缓冲区。
  • 为什么这样子更快?
    • 利用了空间局部性原理
• 使用rio_readn的带缓冲区版本rio_readnb.
  • 对于即包含文本行也包含二进制数据的文件(例如 11.5.3节会提到的HTTP响应).
  • 和rio_readlineb一样的读缓冲区中传送原始字节。

rio_readinitb 和 rio_readnb，rio_readlineb 实例

每打开一个描述符都要调用一次rio_readinitb函数。

• 它将描述符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(&rio,buf,MAXLINE) 函数
  • rio_readlineb 函数从rio(缓冲区)读出一个文本行(包括结尾的换行符)，将它拷贝到存储器位置buf，并用\0字符结束这个文本行。
  • rio_readlineb 最多读MAXLINE-1个字符，其余被截断，末尾永远是\0.
• rio_readnb(&rio,buf,n)
  • rio_readnb函数从rio最多读n个字节到buf
• 对同一描述符，对rio_readlineb和rio_readnb的调用可以任意交叉。
  • 但是带缓冲的 和 不带缓冲的 不应该交叉引用。

剩余部分给出大量RIO函数的实例。

• 图10-5展示了一个读缓冲区的格式，以及初始化它的rio_readinitb的代码。
  • rio_readinitb函数创建了一个空的读缓冲区，并且将一个打开的文件描述符与之关联。

• 图10-6所示的rio_read函数是RIO读程序的核心。
  • rio_read是Unix read函数的带缓冲版本。
    • 当调用rio_read要求读n个字节.
    • 此时如果缓冲区为空，调用read填满，不过也未必会满。
    • 读缓冲区内 min(n,rp->rio_cnt)个未读字节。
• 对于一个应用程序，rio_read和Unix read函数拥有相同的语义。
  • 只是可能有时返回的不足值可能会不同。
    • 所以如果抛开不足值的话，两者是一样的。
    • 即包装它，让他读满。
    • 即后文的rio_readn和rio_readnb。
  • 两者的相似性，使得在某些情况也能互相替换。
    • 如后文的rio_readn和rio_readnb。

10.5 读取文件元数据

应用程序能够通过调用stat和fstate函数，检索到关于文件的信息(有时也称为文件的元数据(metadata))

#include<unistd.h>
#include<sys/stat.h>

int stat(const char *filename,struct stat *buf);
int fstat(int fd,struct stat *buf);
//填写stat数据结构中的各个成员
                    返回 : 成功0 ,出错-1

• 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
  • 文件类型
    • 普通类型:就是我们一般所说的文件
    • 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来确定文件类型，以下是其中一部分。
    • 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
    • 在sys/stat.h中定义

图10-10展示了如何使用宏和stat函数来读取和解释

10.6 共享文件

除非你很清楚内核是如何表示打开的文件，否则文件共享的概念相当难懂。

内核有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的一个表项。
• 文件表:打开文件的集合是由一张文件表表示的。
  • 所有的进程共享这张表。
  • 每个文件表项的部分组成是
    • 当前的文件位置
    • 引用计数(reference count):即当前指向该表项的描述符项数。
      • 关闭一个描述符会减少相应文件表表项中的引用计数。
      • 当引用计数变为0。内核会删除这个文件表表项。
    • 以及一个指向v-node表中对应表项的指针。
• v-node
  • 所有的进程共享这张表。
  • 每个表项包含stat结构的大多数信息。
    • st_mode
    • st_size

打开文件有三种可能的情形:

最常见的类型

• 就是打开两个不同的文件，且文件磁盘位置也不一样。
• 没有进行共享.

共享情况1

• 多个描述符也可以通过引用不同的文件表表项来引用同一个文件。
• 内容相同，文件位置不同(指向的磁盘位置是同一块)
• 例子
  • 如果以同一个filename调用open两次，就会出现这种情况。
  • 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。

子父进程共享情况

我们也能理解父子进程如何共享文件。

• 调用fork后，子进程有一个父进程描述符表副本。
• 父子进程共享相同的打开文件表。
  • 共享相同的文件位置。
• 一个很重要的结果
  • 在内核删除对应文件表表项之前，父子进程必须都关闭它们的描述符。
  • 不要以为父进程close(fd 1)就好了。
    • 子进程也要close(fd 1)

10.7 I/O 重定向

Unix外壳提供了I/O重定向功能，允许用户将磁盘文件和标准输入输出联系起来。

• 例如

  unix> ls > foo.txt

  • 使得shell加载和执行ls程序，将标准输出重定向到磁盘文件foo.txt。

• 一个Web程序代表客户端允许CGI程序时，也执行一种相似类型的重定向。

I/O重定向如何工作?

• 使用dup2函数

  #include<unistd.h>
  
  int dup2(int oldfd,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 到描述符表表项 newfd ，覆盖newfd。
    • 如果newfd已经打开，dup2会在拷贝oldfd之前关闭newfd。(废话，不是肯定打开吗?)

左边和右边的hoinkies

• 右hoinkies : >
• 左hoinkies : <

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。

• 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(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 (scanf和printf)
• 标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流
  • 对于程序员来说，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 标准输入
    • stdout 标准输出

    • stdout 标准错误

      #include<stdio.h>
      extern FILE *stdin;
      extern FILE *stdout;
      extern FILE *stderr;

• 类型为FILE的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象。
  • 流缓冲区的目的和RIO读缓冲区的目的一样
    • 就是使开销较高的Unix I/O系统调用的数量尽可能的少。

10.9 综合: 我该使用哪些 I/O 函数

图总结了我们讨论过的各种I/O包。

• Unix I/O。
• RIO I/O
• 标准I/O
  • 磁盘和终端设备之选。
  • 在网络输入输出使用，有一些问题。
    • Unix对网络的抽象是一种叫做套接字的文件类型。
      • 和任何Unix文件一样，套接字也是用文件描述符来引用的，称为套接字描述符。
      • 应用进程通过读写套接字描述符来与运行在其他计算机上的进程通信。
  • 大多数C程序员，生涯中只用标准I/O

标准I/O流 某种意义上而言是全双工的，因为程序能够在同一个流上执行输入输出。

然而，对流的限制和对套接字的限制，有时会互相冲突，而又极少有文档描述这些现象:

(不懂)

• 限制一: 跟在输出函数之后的输入函数。
  • 如果中间没有插入对fflush,fseek,fsetpos或者rewind的调用，一个输入函数不能跟在输出函数之后。
    • fflush函数清空与流相关的缓冲区。
    • 后三个函数使用Unix I/O的lseek函数来重置当前的文件位置。
• 限制二: 跟在输入函数之后的输出函数。
  • 如果中间没有插入对fseek,fsetpos或者rewind的调用，一个输出函数不能跟随在一个输入函数之后，除非该输入函数遇到了一个`EOF。

看不懂，看完之后的再看。

因此，我们建议你在网络套接字不要使用标准I/O来进行输入和输出。而要使用RIO

• 如果需要格式化的输出
  • 使用sprintf函数在存储器格式化一个字符串。
  • 然后用rio_writen把它发送到套接口。
• 如果需要格式化输入
  • 使用rio_readlinb来读一个完整的文本行
  • 然后使用sscanf从文本行提取不同的字段。

10.10 小结