《信息安全系统设计基础》第九周学习总结

这周再查代码！

• 一、知识点梳理

  （一）系统级I/O概述

  1.输入输出I/O

  输入输出I/O是在主存和外部设备（如磁盘，网络和终端）之间拷贝数据的过程。

  - 输入就是从I/O设备拷贝数据到贮存

  - 输出就是从主存拷贝数据到I/O设备

  2.使用原因

  • 帮助理解其它系统概念。I/O视操作系统中不可或缺的一部分，我们会经常遇到I/O和其它系统概念之间的循环依赖。
  • 别无选择。例如：标准I/O库没有提供读取文件元数据的方式，如文件大小和文件创建时间。

  （二）Unix I/O

  一个Unix文件就是一个m个字节的序列：B0，B1，...，Bk，...，B(m-1)

  • 所有的I/O设备，如网络、磁盘、和终端，都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当做想对应的文件的读写来执行。这种将设备优雅的映射为文件的方式，允许Unix内核引出一个简单、低级的应用接口，称为UnixI/O，这使得所有的输入和输出都能以一种统一且一致的方式来执行。

  1.打开文件

  • 一个应用程序通过要求内核来打开文件，内核返回一个小的非负整数（描述符），内核记录有关这个文件的所有的信息，应用程序只需要记住这个描述符。
  • Unix外壳创建的每个进程开始时都有三个打开的文件：
  • - 标准输入（描述符为0）
  • - 标准输出（描述符为1）

  - 标准错误（描述符为2）

  • 头文件<unistd.h>
  • 定义常量STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、STDERR_FILENO

  可以用来代替显式的描述符

  2.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，初始为0。这个位置是从文件开头起始的字节偏移量。
  • 应用程序可以通过seek操作显式的设置文件的当前位置为k。

  3.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。

  给定一个大小为m字节的文件，k >= m 时执行读操作会触发一个称为end-of-file（EOF）的条件，应用程序能检测到这个条件，但是文件结尾处并没有明确的“EOF符号”。

  • 写操作就是从存储器拷贝n>0个字节到一个文件，从当前文件位置k开始，然后更新k。

  4.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。
  • 无论进程因为何种原因终止时，内核都会关闭所有打开的文件并释放他们的存储器资源。

  （三）打开和关闭文件

  1.打开文件：

  #include <sys/types.h>

  #include <sys/stat.h>

  #include <fcntl.h>

  #include <unistd.h>

   int open(char *filename,int fliags,mod_it mode)；

  - 若成功，返回值为新文件描述符

  - 若出错，返回值为-1

  • open函数将filename转换成一个文件描述符，并且返回描述符数字。返回的描述符总是在进程中当前没有打开的最小描述符。

  fd = Open("文件名",flag参数，mode参数)

  • fd是返回的文件描述符（数字），总是返回在进程中当前没有打开的最小描述符。
  • flag参数
  • 表示访问方式额外提示
  • - O_RDONLY:只读。
  • - O_WRONLY:只写。
  • - O_RDWR：可读可写。 
  • 一位或者多位掩码的或
  • - O_CREAT,表示如果文件不存在，就创建它的一个截断的文件。
  • - O_TRUNC:如果文件已经存在，就截断它。

  - O_APPEND：在每次写操作前，设置文件位置到文件的结尾处。

  • mode参数：指定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，通过调用umask函数设置。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。
  • 给定mode和umask的默认值：
  • #define DEF_MODE   S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH

  #define DEF_UMASK  S_IWGRP|S_IWOTH

  • 出错的时候返回-1。

  2.关闭文件：

  #include<unistd.h>

  int close(int fd);

  • 若成功则返回0，不成功则为-1。
  • 关闭一个已经关闭的描述符程序会出错。

  3.访问权限位在sys/stat.h中定义

                         

  （四）读和写文件

  1.读函数

  #include<unistd.h>

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

   

  - 若成功，返回读字节数，即实际传送的字节数量

  - 若EOF，返回0

  - 若出错，返回-1

  • read函数从描述符为fd的当前文件位置拷贝最多n个字节到存储器位置buf。

  注：何为EOF

  即给定了m字节大小的文件，在从k字节位置开始读或者写的时候，发现k>=m。

  2.写函数

  #include<unistd.h>

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

   

  - 若成功，返回写的字节数

  - 若出错，返回-1

  • write函数从存储器位置buf拷贝至多n个字节到描述符fd的当前文件位置。

  注：ssziet,sizet的区别

  - ssziet被定义为int，有符号

  - sizet被定义成unsigned int，无符号

  • 通过调用lseek函数，应用程序能够显示地修改当前文件的位置。

  3.不足值

  • 在某些情况下，read和write传送的字节比应用程序要求的要少，这些不表示有错误。
  • - 读时遇到EOF。假设准备读一个文件，该文件从当前文件位置开始只含有20个字节，若以50个字节的片进行读取，下一个read返回的不足值为20，此后的read将通过返回不足值0来发出EOF信号。
  • - 从终端读文本行。若打开文件与终端相关联（如键盘和显示器），那么每个read函数将以此传送一个文本行，返回的不足值等于文本行大小。

  - 读和写网络套接字。若打开的文件对应于网络套接字，内部缓冲约束和较长的网络延迟会引起read和write返回不足值。（进程间的通信机制：对Unix管道调用read和write时，也有可能出现不足值）

  • 实际上除了EOF，在读写磁盘文件时，不会遇到不足值。
  • 如果想创建健壮的诸如web服务器这样的网络应用，就必须通过反复调用read和write处理不足值，直到所有需要的字节都传送完毕。

  （五）用RIO包健壮地读写

  RIO包会自动处理不足值。RIO提供了两类不同的函数：

  - 无缓冲的输入输出函数。这些函数直接在存储器和文件之间传送数据，没有应用级缓冲，对将二进制数据读写到网络和从网络读写二进制数据尤其有用。

  - 带缓冲的输入函数。这些函数允许高效地从文件中读取文本行和二进制数据（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），这些文件的内容缓存在应用级缓冲区内，类似于像printf这样的标准I/O函数提供的缓冲区。带缓冲的RIO输入函数是线程安全的，它在同一个描述符上可以被交错地调用。

  1.RIO的无缓冲的输入输出函数

  • 通过调用rio_readn和rio_writen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"
  • //返回值：若成功为传送的字节数，若EOF则为0，出错为-1
  • ssize_t rio_readn(int fd,void *usrbuf,size_t n);

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

  • rio_readn函数从描述符fd的当前文件位置最多传送n和字节到存储器位置usrbuf，遇到EOF时只能返回一个不足值。
  • rio_writen函数从位置usrbuf传送n个字节到描述符fd，绝不会返回不足值。
  • 对于同一个描述符，可以任意交错地调用rio_readn和rio_writen。

  2.RIO的带缓冲的输入函数

  • 一个文本行就是一个由换行符结尾的ASCII码字符序列。在Unix系统中，换行符（‘\n'）与ASCII码换行符（LF）相同，数字值为0x0a。
  • 实现计算文本文件中文本行的数量
    • *方法一：用一个程序来计算文本文件中文本行的数量：用read函数来一次一个字节地从文件传送到用户存储器，检查每个字节来查找换行符。这个方法的缺点是效率低，每读取文件中的一个字节都要求陷入内核。
    • *方法二：是调用一个包装函数（rio_readlineb），它从一个内部读缓冲区拷贝一个文本行，当缓冲区变空时，会自动地调用read重新填满缓冲区。
    • 对于既包含文本行也包含二进制数据的文件，书上提供了一个rio_readn带缓冲区的版本：rio_readnb，它从和rio_readlineb一样的读缓冲区中传送原始字节。

  rioreadinitb(riot *rp,int fd);

  - 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rio_t的缓冲区联系起来。

   

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

  - 从文件rp中最多读n个字节到存储器位置usrbuf。对同一描述符，rioreadnb和rioreadlineb的调用可以交叉进行。

   

  ssizet readlineb(riot *rp,void *usrbuf,size_t maxlen);

  - 从文件rp中读取一个文本行（包括结尾的换行符），将它拷贝到存储器位置usrbuf，并用空字符来结束这个文本行。

  3.RIO读程序的核心——rio_read函数

  static ssize_t rio_read(rio_t *rp,char *usrbuf,size_t n)

  {

      int cnt;

      while(rp->rio_cnt<=0)//如果缓冲区为空，先调用函数填满缓冲区再读数据

      {

          rp->rio_cnt=read(rp->rio_fd,rp->rio_buf,sizeof(rp->rio_buf));//调用read函数填满缓冲区

          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;//更新现在读到的位置

      }

      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);把读缓冲区的内容拷贝到用户缓冲区

      rp->rio_bufptr+=cnt;

      rp->rio_cnt-=cnt;

      return cnt;

  }

  （六）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，检索到关于文件的信息（元数据）。
  • #include <unistd.h>
  • #include <sys/stat.h>
  • int stat(cost char *filename,struc sta *buf);
  • int fstat(int fd,struct stat *buf);
  •  
  • - stat函数以文件名作为输入

  - fstat函数以文件描述符作为输入

  2.stat数据结构

  - st_size成员包含了文件的字节数大小

  - st_mode成员编码了文件访问许可位和文件类型

  • Unix提供的宏指令根据st_mode成员来确定文件的类型
  • 宏指令：S_ISREG()   普通文件？二进制或文本数据
  • 宏指令：S_ISDIR()   目录文件？包含其他文件的信息

  宏指令：S_ISSOCK()  网络套接字？通过网络和其他进程通信的文件

  （七）共享文件

  1.内核表示打开文件的三个相关的数据结构

  - 描述符表：每个打开的描述符表项指向文件表中的一个表项

  - 文件表：所有进程共享这张表，每个表项包括文件位置，引用计数，以及一个指向v-node表对应表项的指针

  - v-node表：所有进程共享这张表，包含stat结构中的大多数信息

  （1）典型的打开文件的内核数据结构

  • 描述符各自引用不同的文件，没有共享文件。

   

  - 描述符1~4通过不同的打开文件表表项来引用两个不同的文件。

  （2）文件共享

  • 多个描述符通过不同的文件表表项引用同一个文件。

  、

  - 两个描述符通过打开两个打开文件表表项共享同一个磁盘文件。

  - 关键思想：每个描述符都有自己的文件位置，对不同描述符的读操作可以从文件的不同位置获取数据

  （3）父子进程共享文件

  • 子进程继承父进程打开文件。

   

  - 调用fork后，子进程有一个父进程描述符表的副本。

  - 父子进程共享相同的打开文件表集合，因此共享相同的文件位置。

  - 在内核删除相应文件表表项之前，父子进程必须都关闭了他们的描述符

  （八）I/0重定向

  1. Unix外壳提供了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
  1. 重定向工作方式：使用dup2函数
  2. #include<unistd.h>

  int dup2(int oldfd,int newfd);

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

  （九）标准I/O和I/O函数

  1. ANSI C定义了一组高级输入输出函数，称为标准I/O库。提供了打开和关闭文件的函数（fopen和fclose），读和写字节的函数（fread和fwrite），读和写字符串的函数（fgets和fputs），格式化I/O函数（scanf和printf）
  2. 标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流。一个流就是一个指向FILE类型的结构的指针。每个ANSI C程序开始时都有三个打开的流：
  3. #include<stdio.h>
  4. extern FILE *stdin;     //标准输入，描述符0
  5. extern FILE *stdout;    //标准输出，描述符1

  extern FILE *stderr;    //标准错误，描述符2

  • 类型为FILE的流是对文件描述符和流缓存区的抽象。流缓冲区的目的和RIO读缓冲区的一样，就是使开销较高的UnixI/O系统调用的数量尽可能的少。
  1. 各类I/O关系

   

  • Unix I/O是在操作系统内核中实现的。
  • 较高级别的RIO和标准I/O函数都是基于Unix函数来实现的。
    • RIO函数是专为本书开发的read和write的健壮的包装函数。他们自动处理不足值，并且为读文本行提供一种高效的带缓冲的方法
    • 标准I/O函数提供了Unix函数的一个更加完整的带缓冲的替代品，包括格式化的I/O例程。
  • 标准I/O流，从某种意义上是全双工的，但对流的限制和对套接字的限制有时会相互冲突。
    • 限制一：跟在输出函数之后的输入函数
    • 限制二：分在输入函数的输出函数
    • 由此，建议在网络套接字上不要使用标准 I/O函数来进行输入和输出，而要使用健壮的RIO函数。