信息安全系统设计基础第九周学习总结

【学习时间：4小时】

【学习内容：第十章——系统级I/O】

一、学习过程

1.所有的I/O设备都被模型化为文件，所有的输入输出都被当作对对应文件的读写来执行。unix内核引出一个简单的应用接口——unixI/O来统一地执行I/O操作。

2.unix系统中输入输出的操作：

• 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I/O设备，内核返回一个小的非负整数，叫做描述符。unix系统创建每个进程的时候都有三个打开的文件：标准输入；标准输出，标准错误。
• 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（从文件开头起始的字节偏移量）。应用程序可以通过执行seek操作，显式地设置当前文件位置为K。
• 读写文件。读操作就是从文件拷贝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。当k>=m时，会触发EOF条件。
• 关闭文件。应用通知内核关闭这个文件；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当中。

3.进程通过调用open函数打开一个已存在的文件或者是创建一个新文件。

• 代码：

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

• 作用：将filename转换为一个文件描述符，并且返回描述符数字（当前进程没有打开的最小描述符数字）。

• 参数意义：
  • flags：指明了进程打算如何访问这个文件（只读，只写，可读可写）
  • mode:指明了新文件的访问权限位。作为上下文的一部分，，每个进程都有一个umask；当进程通过带某个带mode参数的open函数用来创建一个新文件的时候，文件的访问权限位被设置为mode & ~umask。

4.读写文件

• 代码：
  • （读）ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n);//成功则返回n；EOF返回0；出错返回-1
  • （写）ssize_t write(int fd,const void *buf,size_t n);
• 含义：read函数从当前描述符为fd的文件位置拷贝最多n个字节到存储器位置buf。wirte函数与之相反。
• 注意：ssizet和sizet的区别？【前者是int型，可以是负数；后者是unsigned int，是非负数。】
• 例外：某些情况下，这两个函数返回的值比应用程序要求的（n）要少；并不是出现了错误。原因可能如下：
  • 读时遇到EOF：可以读到的实际值比要求的少；
  • 从终端读取文本行：如果打开的文件是与终端相关联的，那么每个read函数将一次传送一个文本行，不足值等于文本行大小；
  • 读和写网络套接字

5.RIO包

• 目的：有效处理不足值的问题；
• 类型：
  • 无缓冲的输入输出函数：直接在存储器和应用程序之间传送数据；
  • 有缓冲的输入输出函数：高效、安全（可以交叉调用）地从文件中读取文本行和二进制数据；这些内容储存在应用及缓冲区中。

6.RIO无缓冲的输入输出函数

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

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

rio__writen函数遇到EOF的时候返回0；

rio__readn遇到EOF的时候返回不足值（即 不足n的那个部分的字节数）。

对同一个描述符，可以任意交错地调用rioreadn和riowriten函数。

7.RIO带缓冲的输入输出函数

• 意义：函数从内部缓冲区中拷贝一个文本行，当缓冲区变空的时候，会自动地调用read重新填满缓冲区。

• 主要的函数：

  ssizet rioreadlineb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t maxlen);

  rioreadnb(riot *rp,void *usrbuf,size_t n) ;

  rioreadinitb(riot *rp,int fd);

• 补充说明：每打开一个描述符都会调用一次该函数，它将描述符fd和地址rp处的类型为riot的缓冲区联系起来。对同一描述符，rioreadnb和rio_readlineb的调用可以交叉进行。

8.RIO读程序的核心——rio_read函数

源代码如下：

static ssize_t rio_read(rio_t *rp,char *usrbuf,size_t n)
{
    int cnt;
    while(rp->rio_cnt<=0)
    {
        rp->rio_cnt=read(rp->rio_fd,rp->rio_buf,sizeof(rp->rio_buf));
        if(rp->rio_cnt<0)//排除文件读不出数据的情况
        {
            if（error != EINTR）
            {
                return -1;
            }
        }
        else if(rp->rio_cnt=0)
            return 0;
        else 
            rp->rio_bufptr = rp->rio_buf;
    }
    cnt=n;
    if(rp->rio_cnt<n)
        cnt=rp->rio_cnt;//以上三步，将n与rp->rio_cnt中较小的值赋给cnt
    memcpy(usrbuf,rp->rio_bufptr,cnt);
    rp->rio_bufptr+=cnt;
    rp->rio_cnt-=cnt;
    return cnt;
}

• 解读:当调用rioread函数要求读n个字节的时候，读缓冲区内有rp->riocnt个字节未读字节。如果缓冲区为空，会通过read函数填满它。它收到一个不足值并不是错误，只不过是缓冲区只填充了一部分。

9.读取文件元数据

函数：

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

• 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（元数据）。stat函数以一个文件的名字作为输入，并填写stat结构体的数据结构中的各个成员；fstat函数相似，只不过以文件描述符作为输入。

10.共享文件

文件共享方式

• 没有共享文件，每个描述符对应一个不同文件。
• 多个描述符也可以通过不同的文件表表项来引用同一个文件。（每个描述符都有自己的文件位置，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）
• 父子进程可以共享文件。子进程会有一个父进程描述符表项的副本，父子进程打开相同的文件表集合，共享相同的文件位置。在内核删除相应的文件表表项之前，父子进程都必须关闭相应的描述符表项。

11.课后题

• 假设磁盘文件foobar.txt由6个ASCII码字符“foobar”组成。那么，下列程序的输出是什么？

  #include "csapp.h"
  int main()
  {
      int fd1,fd2;
      char c;
      fd1=Open("foobar.txt",O_RDONLY,0);
      fd2=Open("foobar.txt",O_RDONLY,0);
      Read(fd1,&c,1);
      Read(fd2,&c,1);
      printf("c=%c\n",c);
      exit(0);
  }
  

【描述符fd1和fd2都有各自的打开文件表表项，所以有它们各自的文件位置。则fd2打开文件读出的第一个字母还是f。】

• 就像前面那样，磁盘文件foobar.txt由6个ASCII码字符“foobar”组成。那么，下列程序的输出是什么？

  include "csapp.h"

  int main() { int fd; char c; fd=Open("foobar.txt",O_RDONLY,0); if(Fork()==0) { Read(fd,&c,1); exit(0); } Wait(NULL); Read(fd,&c,1); printf("c=%c\n",c); exit(0); } 【父子进程共享相同的文件表表项，因此依次读取的是“f”和“o”。输出为o。】

二、学习心得

本章有很多代码需要理解（因为主要内容都是代码驱动的，只有读懂了代码才可以理解；比如：只有知道了rio_read的含义，才理解为什么RIO包更优秀），所以，虽然内容少，但是还是不能掉以轻心；通过注释和请教同学，对理解也有所推动。