2021-2022-1 20191315《信息安全系统设计与实现（上）》学习笔记2

I/O库函数

本章讨论了I/O库函数解释了I/O库函数的作用及其相对于系统调用的优势;使用示例程序来说明I/O库函数和系统调用之间的关系，并解释了它们之间的相似性和基本区别;详细介绍了I/O库函数的算法，包括fread、fwrite和 fclose 的算法，重点介绍了它们与 read、write 和 close 系统调用的交互;介绍了I/O库函数的不同模式，包括字符模式、行模、结构化记录模式和格式化I/O操作;阐述了文件流缓冲方案，并通过示例程序说明了不同缓冲方案的效果;阐释了有不同参数的函数以及如何使用stdarg 宏访问参数。

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I/O库函数

• 系统调用是文件操作的基础，但它们只支持数据块的读/写。
• 实际上，用户程序可能望以最适合应用程序的逻辑单元读/写文件，如行、字符、结构化记录等，而系统调用不持这些逻辑单元。

I/O库函数和系统调用

在Unix/Linux中，I/O库函数建立在系统调用的基础上

• 系统调用函数：open() read() write() lseek() close()
• I/O库函数：fopen() fread() fwrite() fseek() fclose()

I/O库函数的算法

fread算法

• 在第一次调用freadO时，FILE结构体的缓冲区是空的，freadO使用保存的文件描述符fd发出一个
  n = read(fd, fbuffer, BLKSIZE);
  系统调用，用数据块填充内部的fbuf[]。然后，它会初始化fbuf[]的指针、计数器和状态变量，以表明内部缓冲区中有一个数据块。接着，通过将数据复制到程序的缓冲区，尝试满足来自内部缓冲区的fread调用。如果内部缓冲区没有足够的数据，则会再发出一个 read()系统调用来填充内部缓冲区，将数据从内部缓冲区传输到程序缓冲区，直到满足所需的字节数(或者文件无更多数据)。将数据复制到程序的缓冲区之后，它会更新内部缓冲区的指针、计数器等，为下一个fread()请求做好准备。然后，它会返回实际读取的数据对象数量。
• 在随后的每次 fread() 调用中，它都尝试满足来自FILE 结构体内部缓冲区的调用。当缓冲区变为空时，它就会发出read()系统调用来重新填充内部缓冲区。因此，fread()一方面接受来自用户程序的调用，另一方面向操作系统内核发出read()系统调用。除了read()系统调用之外，所有fread()处理都在用户模式映像中执行。它只在需要时才会进入操作系统内核，并且以一种最高效匹配文件的方式进入。它会提供自动缓冲机制，因此用户程序不必担心这些具体操作。

fwrite算法

• fwrite()算法与fread()算法相似，只是数据传输方向不同。最开始，FILE结构体的内部缓冲区是空的。在每次调用fwrite()时，它将数据写入内部缓冲区，并调整缓冲区的指针、计数器和状态变量，以跟踪缓冲区中的字节数。如果缓冲区已满，则发出 write()系统调用，将整个缓冲区写入操作系统内核。

fclose算法

• 若文件以写的方式被打开，fcloseO会先关闭文件流的局部缓冲区。然后，它会发出一个close(fd)系统调用来关闭FILE结构体中的文件描述符。最后，它会释放FILE结构体，并将 FILE 指针重置为 NULL。

使用I/O库函数或系统调用

什么时候使用系统调用或库函数进行文件I/O?

fread()依赖read将数据从内核复制到内部缓冲区，然后从内部缓冲区将数据复制到程序的缓冲区。所以，它传输了两次数据。相反，read()将数据从内核直接复制到程序的缓冲区，只复制了一次。因此，对于以BLKSIZE为单位的读/写数据来说，read()本来就比fread()更高效，因为它只需要一个而不是两个复制操作。类似表述也适用于write()和 fwrite()。

需要注意，在fread()和 fwrite()的一些实现中，例如在GNU libc库中，如果请求的大小以 BLKSIZE为单位，它们可以使用系统调用将以BLKSIZE为单位的数据直接从内核传输到用户指定的缓冲区。即便如此，使用I/O函数仍然需要其他的函数调用。因此，在上面的例子中，使用系统调用的程序实际上比使用 1/O库函数的程序更高效。但是，如果不是以BLKSIZE为单位进行读/写，那么fread()和fwrite()可能更高效。例如，如果我们坚持一次读/写一个字节，fread()和fwrite()会好得多，因为它们进人操作系统内核只是为了填充或清除内部缓冲区，并不是逐字节输入。这里假设进人内核模式比停留在用户模式的代价更高，事实的确如此。

I/O库模式

fopen()中模式参数可指定为：r、w、a，分别为读 写 追加。每个模式字符串可包含一个+号，表示同时读写，或者在写写入、追加情况下，如果文件不存在则创建文件。

• "r+":表示读/写，不会截断文件。
• "w+":表示读/写，但是会先截断文件;如果文件不存在，会创建文件。
• "a+":表示通过追加进行读/写;如果文件不存在，会创建文件。

字符模式I/O

   int fgetc(FILE *fp):	      // get a char from fp, cast to int.	
   int ungetc(int c, fILE *fpl;  // push a previously char got by fgetc() back to stream
   int fputc(int c, FILE *fp);   // put a char to fp

• fgetc()返回的是整数，而不是字符。这是因为它必须在文件结束时返回文件结束符。文件结束符通常是一个整数-1，将它与文件流中的任何字符区分开。
• 对于fp=stdin或stdout，可能会使用c=getchar();putchar(c);来代替。对于运行时效说，getchar()和putchar()通常不是getc()和putc()的缩小版本。相反，可以将它们实现为宏，以避免额外的函数调用。

字符模式I/O

/* file copy using getc(), putc() */
  #include <stdio.h> 
  FILE*fp,*gp; 
  int main(){
     int c; /* for testing EoF */ 
     fp=fopen("source"，"r"); 
     gp=fopen("target"，"w");
     while((c=getc(fp)) != EOF )
         putc(c,gp);
     fclose(fp);
     fclose(gp);
  }

行模式I/O

char *fgets(char *buf, int size,FILE*fp):从fp中读取最多为一行(以 结尾)的字符。
int fputs(char *buf,FILE*fp):将buf中的一行写人fp中。

#include <stdio.h> 
FILE *fp,*gp;
char buf[256]; 
char *s="this is a string";
int main(){
    fp = fopen("sre","r"); 
    gp = fopen("dest","w");
    fgets(buf,256,fp); // read a line of up to 255 chars to buf
    fputs(buf,gp);	// write line to destination file
}

• 当 fp 是 stdin 或 stdout 时，也可以使用以下函数，但它们并非fgets()和fputs()的缩减版本。

gets(char *buf);	// input line from stdin but without checking length	
puts(char *buf);	// write line to stdout

格式化

格式化输入:(FMT=格式字符串)
scanf(char*FMT, &items); // from stdin
fscanf(fp,char *FMT, &items); // from file stream
格式化输出:
printf(char *FMT, items); // to stdout
fprintf(fp,char *FMT, items); // to file stream

内存中的转换函数

sscanf(buf，FMT,&items); // input from buf[ ] in memory
sprintf(buf,FMT,items); // print to buf[ ] in memroy

• sscanf和sprintf并非I/O函数，而是内存中的数据转换函数

其他I/O库函数

• fseek()、ftell()、rewind():更改文件流中的读/写字节位置。
• feofO)、ferr()、fileno():测试文件流状态。
• fdopen():用文件描述符打开文件流。
• freopen():以新名称重新打开现有的流。
• setbuf0、setvbuf():设置缓冲方案。
• popen():创建管道，复刻子进程来调用sh。

限制混合 fread-fwrite

当某文件流同时用于读/写时，就会限制使用混合 fread() 和 fwrite() 调用。规范要求每对 fread()和 fwrite()之间至少有一个 fseek()或 ftell()。

文件流缓冲

• 无缓冲
• 行缓冲
• 全缓冲
  通过fopen()创建文件流之后，在对其执行任何操作之前，用户均可发出一个
  setvbuf(FILE *stream, char *buf, int node, int size)
  调用来设置缓冲区(buf)、缓冲区大小(size)和缓冲方案(mode)，它们必须是以下一个宏:
• IONBUF:无缓冲
• IOLBUF:行缓冲
• IOFBUF:全缓冲
  此外，还有其他的setbuf()函数，是setvbuf()的变体。对于行缓冲流或全缓冲流，可用fflush(stream)立即清除流的缓冲区。

变参函数

printf()多种不同类型的可变数量参数可以调用它。C语言仍然允许参数数量可变的函数。这些函数必须至少使用一个参数进行声明，后跟3个点，如
int funclint m, int n...) // n = last specified parameter
在函数内部，可以通过C语言库宏访问参数:
void va_start(va_list ap,last); // start param list from last parameter
type va_arg(va_list ap, type);//type = next parameter type
va_end(va_1ist ap); // clear parameter list