20135333苏正生——信息安全系统设计基础第八周学习总结

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。

第一节 Unix I/O

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：
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
二者的主要区别为：
数据类型不同，前者为int类型，后者为FILE；
*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。
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。
（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。

第二节 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
mode：指定了新文件的访问权限位
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。

第三节 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
3.通过lseek函数可以显式的修改当前文件的位置
读和写socket

第四节 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);
ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp,void *usrbuf, size_t maxlen);
ssize_t rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n);

【课本代码】
图10-4：

#include "csapp.h"
int main(int argc, char **argv) 
{
   int n;
   rio_t rio;
   char buf[MAXLINE];
   Rio_readinitb(&rio, STDIN_FILENO);
   while((n = Rio_readlineb(&rio, buf, MAXLINE)) != 0)
   Rio_writen(STDOUT_FILENO, buf, n);
   exit(0);
}

图10-5：

#define RIO_BUFSIZE 8192
typedef struct {
   int rio_fd;                /* descriptor for this internal buf */
   int rio_cnt;               /* unread bytes in internal buf */
   char *rio_bufptr;          /* next unread byte in internal buf */
   char rio_buf[RIO_BUFSIZE]; /* internal buffer */
} rio_t;
void rio_readinitb(rio_t *rp, int fd) 
{
   rp->rio_fd = fd;  
   rp->rio_cnt = 0;  
   rp->rio_bufptr = rp->rio_buf;
 }

图10-6：

static ssize_t rio_read(rio_t *rp, char *usrbuf, size_t n)
{
   int cnt;
   while (rp->rio_cnt <= 0) {  /* 如果缓存区为空，调用read填满它 */
   rp->rio_cnt = read(rp->rio_fd, rp->rio_buf, 
		   sizeof(rp->rio_buf));
   if (rp->rio_cnt < 0) {
       if (errno != EINTR) /* 出错返回-1*/
	return -1;
   }
   else if (rp->rio_cnt == 0)  /* EOF返回0 */
       return 0;
   else 
       rp->rio_bufptr = rp->rio_buf; /* reset buffer ptr */
   }
   cnt = n;          
   if (rp->rio_cnt < n)   
   cnt = rp->rio_cnt;
   memcpy(usrbuf, rp->rio_bufptr, cnt);
   rp->rio_bufptr += cnt;
   rp->rio_cnt -= cnt;
   return cnt;
}

rio_readnb函数

ssize_t rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n) 
{
   size_t nleft = n;
   ssize_t nread;
   char *bufp = usrbuf;
   while (nleft > 0) {
   if ((nread = rio_read(rp, bufp, nleft)) < 0) {
       if (errno == EINTR) 
	   nread = 0; 
       else
	   return -1;
   } 
   else if (nread == 0)
       break;
   nleft -= nread;
   bufp += nread;
   }
   return (n - nleft);
}

rio_readlineb函数

ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t maxlen) 
{
 int n, rc;
 char c, *bufp = usrbuf;

 for (n = 1; n < maxlen; n++) {
if ((rc = rio_read(rp, &c, 1)) == 1) {
    *bufp++ = c;
    if (c == '\n')
	break;
} else if (rc == 0) {
    if (n == 1)
	return 0;
    else
	break;
} else
    return -1;
 }
 *bufp = 0;
 return n;
}

第五节 读取文件元数据

元数据即文件信息，需要用到的函数是stat和fstat。定义如下：

include <unistd.h>

include <sys/stat.h>

int stat(const char *filename, struct stat *buf);
int fstat(int fd,struct stat *buf);

普通文件 二进制或文本文件（对内核没差） S_ISREG()
目录文件 关于其他文件的信息 S_ISDIR()
套接字 通过网络与其他进程通信的文件 S_ISSOCK()
查询和处理一个文件的st_mode位：

#include "csapp.h"
int main (int argc, char **argv) 
{
   struct stat stat;
   char *type, *readok;

   Stat(argv[1], &stat);//文件选择argv[1]，写入一个stat数据结构
   if (S_ISREG(stat.st_mode))     /* 如果是一个文本文件 */
type = "regular";
   else if (S_ISDIR(stat.st_mode))//如果是一个目录文件
type = "directory";
   else 
   type = "other";
   f ((stat.st_mode & S_IRUSR)) /* 检查阅读权限 */
readok = "yes";
 else
readok = "no";

 printf("type: %s, read: %s\n", type, readok);
 exit(0);
}

第六节 共享文件

内核用三个相关的数据结构来表示打开的文件：
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。
v-node表

第七节 I/O重定向

I/O重定向操作符： >
ls > foo.txt
这句代码的含义就是使外壳加载和执行ls程序，并且将标准输出重定向到磁盘文件foo.txt。
I/O重定向函数： dup2
函数定义为：

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

返回值：成功返回描述符，错误返回-1

第八节 标准I/O

1.标准I/O库：
ANSI C定义了一组高级输入输出函数，称为标准I/O库，包含:
fopen、fclose，打开和关闭文件
fread、fwrite，读和写字节
fgets、fputs，读和写字符串
scanf、printf，复杂的格式化的I/O函数
2.流——类型为FILE的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象

参考资料：
1.《深入理解计算机系统》
2.Linux系统编程学习笔记（三）高级文件I/O - fuliang - ITeye技术网站
http://fuliang.iteye.com/blog/652297
心得体会：
本周课程在书本中仅仅有十页，但是内容却远远的超过十页，不仅要看书本内容，还要代码，理解每行的意思，熟悉代码中调用i/o的过程。 通过本周的学习，对于之前的存储器，链接，以及计算机操作系统中的进程调度都有了更深的了解。