20135213——信息安全系统设计基础第九周学习总结

一、学习目标

1. 掌握系统编程和系统调用的概念
2. 掌握系统编程错误处理的方式
3. 掌握Unix/Linux系统级I/O:open close read write seek stat
4. 掌握RIO
5. 掌握I/O重定向的方法

参考博客：闫佳歆

参考资料：课本

二、学习资源

1. 教材：附录A，第10章《系统级I/O》
2. 课程资料：https://www.shiyanlou.com/courses/413 实验11，课程邀请码：W7FQKW4Y
3. 教材中代码运行、思考一下，读代码的学习方法见这。

三、学习方法

1. 进度很重要：必须跟上每周的进度，阅读，练习，问答，项目。我会认真对待每一位同学，请你不要因为困难半途而废。
2. 问答很重要：遇到知识难点请多多提问，这是你的权利更是您对自己负责的义务。问答到博客园讨论小组：http://group.cnblogs.com/103791/
3. 实践很重要：解决书中习题，实践书中实例，完成每周项目，才算真的消化了这本好书。通过实验楼环境或自己安装的虚拟机在实践中进行学习
4. 实验报告很重要：详细记录你完成项目任务的思路，获得老师点评和帮助自己复习。学习完成后在博客园中（http://www.cnblogs.com/）把学习过程通过博客发表，博客标题“信息安全系统设计基础第九周学习总结”

四、学习任务

1. 阅读教材，注意每个系统调用的参数、返回值，会查帮助文档
完成课后练习（书中有参考答案）重点：10.1、10.2、10.3、10.4、10.5
2.重要命令：
man -k key1 | grep key2| grep 2 : 根据关键字检索系统调用
grep -nr XXX /usr/include ：查找宏定义，类型定义
3. 考核：教材内容，练习题把数据变换一下
4. 实验：需要动手的到实验楼中练习一下

五、后续学习预告

（可选）：教材第八章《异常控制流》

六、学习过程

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。

10.1 Unix I/O

这一节涉及到操作系统的基本抽象之一——文件。也就是说，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做对相应文件的读/写。相关的执行动作如下：

1.打开文件：

应用程序向内核发出请求→要求内核打开相应的文件→内核返回文件描述符

• 文件描述符：一个小的非负整数，用来在后续对此文件的所有操作中标识这个文件。有三个已经被指定了的如下：

  标准输入——0（STDIN_FILENO）
  标准输出——1（STDOUT_FILENO）
  标准错误——2（STDERR_FILENO）

  括号中是常量表示形式，使用时需要加头文件

也就是说，在Unix生命周期一开始，0、1、2就被占用，以后的open只能从3开始——习题10.1.

在UNIX下还有stdin，stdout，stderr表示同样的含义。

二者的主要区别为：

1.数据类型不同，前者为int类型，后者为FILE*；

2.STDIN_FILENO主要用在read（），write（）等中，后者主要用在fread（），fwrite（）以f开头。

2.改变当前的文件位置

通常，读，写操作都从当前文件偏移量处开始（也就是文件位置），并使偏移量增加所读写的字节数，可以理解为光标所在的位置。

当打开一个文件的最初时候文件的偏移量为0.

通过seek操作，可以显示的设置文件的当前位置为k。

3.读写文件

（1）读

读操作就是从文件拷贝n>0个字节到存储器，并且改变文件当前位置。（如果当前位置是k，则改变为k+n）

※EOF的来源：

这里有一个一直以来的理解上的误区：文件结尾处没有明确的EOF信号，是当文件当前位置的数值超过了文件大小时，会处罚一个称为end-of-file的条件，能够被应用程序检测到，这就是所谓的EOF信号。

（2）写

写操作是从存储器拷贝n>0个字节到一个文件，然后更新当前文件位置。

4.关闭文件

应用通知内核关闭文件→内核释放文件打开时的数据结构→恢复描述符→释放存储器资源。

10.2 打开和关闭文件

1.open函数

（1）函数定义：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int open(char *filename, int flags, mode_t mode);

（2）参数解析：

• 返回值：类型为int型，返回的是描述符数字，总是在进程中当前没有打开的最小描述符。如果出错，返回值为-1.
• filename：文件名

• flags：指明进程打算如何访问这个文件，可以取的值见下：

  O_RDONLY：只读
  O_WRONLY：只写
  O_RDWR：可读可写
  
  O_CREAT：文件不存在，就创建新文件
  O_TRUNC：如果文件存在，就截断它
  O_APPEND：写操作前设置文件位置到结尾处

  这些值可以用或连接起来。

• mode：指定了新文件的访问权限位，符号名称如下：

2.close函数

(1)函数定义：

#include <unistd.h>

int close(int fd);

(2)参数解析：

• 返回值：成功返回0，出错返回-1

关闭一个已经关闭的描述符会出错

• fd：即文件的描述符。

10.3 读和写文件

1.读 read

（1）函数原型：

#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);

（2）参数解析：

• 返回值：成功则返回读的字节数，EOF返回0，出错返回-1。返回值为有符号数。
• fd：文件描述符
• buf：存储器位置
• n：最多从当前文件位置拷贝n个字节到存储器位置buf

2.写 write

（1）函数原型：

#include <unistd.h>

ssize_t write(int fd, void *buf, size_t n);

（2）参数解析：

• 返回值：成功则返回写的字节数，出错返回-1。返回值为有符号数。
• fd：文件描述符
• buf：存储器位置
• n：最多从存储器位置buf拷贝n个字节到当前文件位置

需要注意的是，read和write在正常情况下返回值是实际传送的字节数量。

3.通过lseek函数可以显式的修改当前文件的位置

4.不足值

不足值指在某些情况下，read和write传送的字节比应用程序要求的要少，原因如下：

• 读的时候遇到EOF
• 从终端读文本行
• 读和写socket

10.4 用RIO包健壮的读写

RIO，Robust I/O，针对的出现不足值的问题。

1.RIO的无缓冲的输入输出函数。

这些函数的作用是直接在存储器和文件之间传送数据，常适用于网络和二进制数据之间。

rio_readn函数和rio_writen定义：

#include "csapp.h"

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

参数：

• fd：文件描述符
• usrbuf：存储器位置
• n:传送的字节数

• 返回值：

  rio_readn成功则返回传送的字节数，EOF为0（一个不足值），出错为-1
  rio_writen成功则返回传送的字节数，出错为-1，没有不足值。

  2.RIO的带缓冲的输入函数

  可以高效的从文件中读取文本行和二进制数据。

一个概念：一个文本行就是一个由换行符结尾的ASCII码字符序列。

范例：如何统计文本文件中文本行的数量——通过计算换行符。需要用到的函数：

#include "csapp.h"

void rio_readinitb(rio_t *rp, int fd);//将描述符fd和地址rp处的一个类型为rio_t的读缓存区联系起来。

ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp,void *usrbuf, size_t maxlen);//从文件rp中读出一个文本行，包括换行符，拷贝到存储器位置usrbuf，并用空字符结束这个文本行。最多赌到maxlen-1个字节，最后一个给结尾的空字符。
ssize_t rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n);//从文件rp中读取最多n个字符到存储器位置usrbuf中。

成功则返回传送的字节数，EOF为0，出错为-1。

先连接标准输入和地址rio，再根据返回值判断是否成功将rio中的一行内容拷贝到了buf中，如果是再把这一行拷贝到标准输出中，即可实现一次一行的从标准输入拷贝一个文本文件到标准输出。

10.5 读取文件元数据

• 应用程序能通过调用stat和fstat函数，检索到关于文件的信息（元数据）。stat函数以一个文件名作为输入，fstat函数以文件描述符作为输入。

  #include <unistd.h>
  #include <sys/stat.h>
  
  int stat(const char *filename,struct stat *buf);
  int fstat(int fd,struct stat *buf);

• 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。

  • 普通文件包括某种类型的二进制或文本数据。

  • 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。

10.6 共享文件

内核用三个相关的数据结构来表示其打开的文件。

• 描述符表：表项由进程打开的文件描述符来索引的，每个打开的描述符表指向文件表中的一个表项，每个进程有其独立的描述符表。

• 文件表：打开文件的集合是由一张文件表来表示的，所有的进程共享这张表。包括：当前的文件位置、引用计数、以及一个指向v-node表中对应表项的指针。

• v-node表：每个表项包含stat结构中的大多数信息，；包括st_mode和st_size成员，所有进程共享。

10.7 I/O重定向

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。

dup2函数拷贝描述符表表项oldfd到描述符表项newfd，覆盖描述符表表项newfd以前的内容。如果newfd已经打开，dup2会在拷贝oldfd之前关闭newfd。

#include <unistd.h>

int dup2(int oldfd,int newfd);

10.8 标准I/O

标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流，也就是一个指向FILE类型的结构的指针。

#include <stdio.h>
extern FILE *stdin;  /*标准输入，文件描述符为0*/
extern FILE *stdout;  /*标准输出，文件描述符为1*/
extern FILE *stderr;  /*标准错误，文件描述符为2*/

类型为file的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象，目的是使开销较高的Unix I/O系统调用的数量尽可能小