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

10.1 Unix I/O

1. 一个unix文件就是一个m字节的序列（B0B1B2...Bm-1）。所有的IO设备，如网络，磁盘，终端，都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当作对相应文件的读和写来执行。 2、所有的输入和输出都被当作统一的方式来处理：

   1）打开文件。一个应用程序通过要求内核打开相应的文件，来宣告它想要访问一个IO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。内核记录这个打开文件的所有信息，而应用程序只需记住这个描述符。

   Unix创建的每个进程开始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1），标准错误（描述符为2）。头文件unistd.h中定义了相关常量。

   2）改变当前的位置。内核保持一个文件位置k，对于每个打开文件，初始为0。这个文件位置是从文件开头起始的字节偏移量。

   3）读写文件。读操作是从文件拷贝n>0个字节到存储器，从当前文件位置k开始，然后将k增加到k+n。写操作是从存储器拷贝n>0个字节到文件，从当前文件位置k开始，然后更新k。

   4）关闭文件。内核释放文件打开时创建的数据结构，并恢复描述符到可获得描述符池中。

10.2 打开和关闭文件

1. 进程是通过调用open函数来打开一个已存在的文件或是创建一个新文件

    #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，若出错则为-1。
   

2. Flag参数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。
   

   

3. Mode参数指明了新文件的访问权限位。通过调用umask函数设置。

   

4. Close函数关闭文件。

   #include <unistd.h>
   int close(int fd);
                   返回：若成功则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

#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，若出错则为-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。

某些情况下，原始的read,write传送的字节比应用程序要求的要少，这些不足值（short count）不一定是错误（比如read函数参数要读5个字节，结果只读了3个字节，即小于5），下面的情况下将可能发生不足值：

1）读时遇到EOF。
2）从终端读文本行。
3）读和写网络套接字。

为了避免不足值问题（健壮程序的需求，如Web服务器这样的网络应用），就需要通过反复调用read和write处理不足值。

10.4 用RIO包壮健地读写

RIO包会自动处理不足值。提供了两类不同的函数：

• 无缓冲的输入输出函数

• 带缓冲的输入函数

1．无缓冲的输入输出函数

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

 #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);
                          返回：若成功则为传送的字节数，若EOF则为0（只对rio_readn而言），若出错则为-1。

2．带缓冲的输入函数

1）文本行：一个由换行符结尾的ACSII码字符序列。Unix中换行符（ ）ACSII码换行符（LF）数字值均为0x0a。

2）包装函数（rio_readlineb）：

从内部读缓冲区拷贝一个文件行，当缓冲区为空时，自动调用read填满缓冲区。

3）rio_readnb：

从和rio_readlineb一样的读缓冲区中传送原始字节。

 #include “csapp.h”
 void rio_readinitb(rio_t *rp, int fd)
                          返回：无
 ssize_t rio_readlineb (rio_t *rp,void *usrbuf, size_t n);
 ssize_t rio_readn (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，若出错则为-1。

10.5 读取文件元数据

1. 元数据：应用程序能够通过调用stat和fstat函数，检索到关于关于文件的信息，如创建时间，修改时间，metadata。

    #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，ftast以文件描述符作为输入。

   

              

1. 函数是线程安全的：它在同一个描述符上可以被交替地调用。

10.6 共享文件

1. 对于内核而言，文件文件和二进制文件毫无区别。

2. 共享文件

内核用三种相关的数据结构来表示打开的文件。

1）描述符表：它的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项指向文件表中的一个选项。
2）文件表：打开文件的集合是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。
3）v-node表：同文件表一样，所有的进程共享这张v-node表。每个表项包含stat结构中的大部分信息，包括st_mode和st_size成员。

             

               

                 

10.7 I/O重定向

1. 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:

            unix > ls > foo.txt
   

2. 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.
   

实际是dup2函数（one case）。dup2函数对文件描述符表项进行重定位。

10.8 标准I/O

1. 标准I/O ：ANSI C定义的一组高级输入输出函数。如fopen,fclose,fread,fwrite,fgets,fputs,scanf,printf。

2. 标准IO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类型为FILE结构的一个指针。每个ANSI C程序开始都有三个打开的流stdin,stdout,stderr，分别对应于标准输入、输出、错误：

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

   ！类型为FILE的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象。

10.9 该使用哪些I/O函数

标准I/O流，从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和输出。但是有一些限定：

1. 限制1: 跟在输出函数之后的输入函数。如果中间没有fflush,fseek,fsetpos或rewind的调用，一个输入函数不能跟随在一个输出函数之后。fflush清空与流相关的缓冲区，后三个函数使用unix I/O lseek函数来重置当前文件的位置。

2. 限制2: 跟在输入函数之后的输出函数。情况类同上。 这些限定给网络应用带来一个问题：因为对套接字使用lseek是非法的。用Rio包可以解决这个问题。用sprintf把输出格式化一个字符串，通过riowriten输出，傅rioreadlineb来读一行，用scanf来从文本中提取不同的字段。

 

遇到的问题及解决办法：

首先学完本章之后总结为Unix系统I/O最基本的函数包括read和write等，所有的外部设备都被建模为文件，使得我们可以像读写文件一下读写外设。然后c语言标准I/O拥有应用级缓冲，而流的概念是对文件描述符和流缓冲区的抽象，流缓冲区的目的是为了减少Unix I/O系统调用，减少内核开销。但对最后的两个限制不太理解。后来经过查阅资料，看了网上一篇知乎上的一些回答，有了一定的理解。 但还有一点疑问就是执行定位后，一定会刷新缓冲区吗？写入后如果不fflush，那么其实可能还没有写入，可能写入了一部分，这时候读，是不是从哪里开始读是不可知的？

 

参考资料：

               《深入理解计算机系统》

               博客http://blog.csdn.net/jewes/article/details/8629004帮助理解了I/O

               知乎回答http://www.zhihu.com/question/31499851