2023-2024-1 20211327 信息安全系统设计与实现 学习笔记4（必做）

学习笔记4

• 文件操作
• 使用系统调用进行文件操作
• 实践过程

文件操作

1. 文件操作级别

（1）硬件级别：

• fdisk: 将硬盘、U盘或SDC盘分区
• mkfs: 格式化磁盘分区，为系统做好准备
• fsck：检查和维修系统
• 碎片整理：压缩文件系统中的文件

（2）操作系统内核中的文件系统函数： 前缀 k 表示内核函数
（3）系统调用： 使用系统调用访问内核函数
（4）I/O库函数： C语言提供了一系列标准的I/O库函数
（5）用户命令
（6）sh脚本

2.文件的I/O操作

（1）文件打开和关闭：

• I/O操作的第一步是打开文件。这通过调用操作系统提供的API函数（如C语言中的 fopen）来完成。打开文件后，系统为该文件分配资源，允许程序读取或写入文件的数据。
• 在文件操作完成后，必须关闭文件以释放资源并确保数据的完整性。关闭文件通常使用
  fclose 等函数。

（2）读取数据：

• 读取文件的数据是从文件中获取信息的过程。可以按字节、行或其他数据块的方式进行读取。通常使用fread、fgets等函数来执行读取操作。
• 读取操作需要指定读取位置，通常由文件指针（file pointer）管理。文件指针跟踪文件的当前位置，并在每次读取后自动向前移动。

（3）写入数据：

• 写入文件是将数据写入文件的过程。可以按字节、行或其他数据块的方式进行写入。通常使用fwrite、fprintf等函数来执行写入操作。
• 写入操作也需要指定写入位置，通常由文件指针管理。文件指针在写入时自动向前移动。

（4）定位和移动文件指针： 文件指针用于确定文件中的读取或写入位置。可以使用fseek函数来移动文件指针到文件中的指定位置，以支持随机访问文件。

（5）错误处理： I/O操作可能会遇到各种错误，如文件不存在、权限不足、磁盘空间不足等。程序需要处理这些错误情况，并采取适当的措施，如向用户报告错误或进行错误日志记录。

（6）缓冲： 文件I/O通常使用缓冲来提高性能。读取和写入的数据通常首先存储在内存缓冲区中，然后批量写入磁盘。这减少了磁盘访问的次数，提高了效率。

（7）文本和二进制文件： 文件可以分为文本文件和二进制文件。文本文件包含人可读的字符数据，而二进制文件包含不可打印字符和二进制数据。不同类型的文件需要不同的读写方式。

（8）同步和异步操作： 文件I/O可以是同步或异步的。同步操作会阻塞程序的执行，直到操作完成，而异步操作会允许程序继续执行其他任务。

3. 低级别文件操作：分区

（1）打开终端： 打开Linux终端，以便使用分区工具。可能需要以root用户或具有足够权限的用户身份执行这些操作。

（2）选择分区工具：

• fdisk：这是一个经典的命令行分区工具，适用于专家用户。
• parted：这是一个命令行分区工具，提供了更多的分区选项。
• gparted：这是一个图形用户界面（GUI）工具，适用于新手用户，更容易使用。

（3）列出可用的磁盘： 在终端中运行以下命令之一，以列出系统中的可用磁盘和分区信息：

fdisk -l
parted -l

（4）选择要分区的磁盘： 根据列出的磁盘信息，选择要进行分区的磁盘，通常以如/dev/sda或/dev/nvme0n1之类的形式表示。

（5）创建分区： 使用选定的分区工具创建新的分区，通常有以下步骤：

• 在终端中运行分区工具，如fdisk /dev/sdX（/dev/sdX是选择的磁盘）。
• 使用分区工具的命令（如n用于创建新分区）创建分区。需要指定分区的大小、类型、起始位置等信息。
• 根据分区工具的提示，完成分区创建过程。
• 保存分区表：
• 在分区工具中完成分区创建后，不能忘记保存分区表。对于fdisk，可以使用w命令保存。对于parted，可以使用quit命令保存。

（6）格式化分区：
创建分区后，需要格式化它以创建文件系统。例如，如果要创建一个ext4文件系统，可以使用以下命令：

mkfs.ext4 /dev/sdXY

其中，/dev/sdXY是创建的分区的设备名称。

（7）挂载分区： 格式化后的分区需要挂载到Linux文件系统的目录中，以便可以访问其中的数据。可以使用mount命令手动挂载，也可以将挂载信息添加到/etc/fstab文件中，以在系统启动时自动挂载。

使用系统调用进行文件操作

1.操作过程

（1）包含头文件： 在C或C++程序中，使用文件操作系统调用之前，需要包含适当的头文件，如 <stdio.h>、<fcntl.h> 和 <unistd.h>。这些头文件包含了与文件操作相关的系统调用的声明和常量定义。

（2）文件描述符：

• 在Linux中，每个打开的文件都与一个文件描述符相关联，这是一个整数值。通常情况下，0表示标准输入（stdin），1表示标准输出（stdout），2表示标准错误（stderr）。其他文件描述符用于表示用户打开的文件。

• 使用 open() 系统调用来打开文件，它返回一个文件描述符，用于后续文件操作。

（3）打开文件： 使用 open() 系统调用可以打开文件。它的原型如下：

int open(const char *path, int flags, mode_t mode);

• path 是文件的路径。
• flags 是打开文件的模式，如只读、只写、追加等。
• mode 是文件的权限（仅在文件不存在时才使用）。

（4）读取文件： 使用 read() 系统调用从已打开文件中读取数据。它的原型如下：

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

• fd 是文件描述符。
• buf 是读取数据的缓冲区。
• count 是要读取的字节数。
• read() 返回实际读取的字节数，如果达到文件末尾则返回0，如果出现错误则返回-1。

（5）写入文件： 使用 write() 系统调用将数据写入已打开的文件。它的原型如下：

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

• fd 是文件描述符。
• buf 是要写入的数据。
• count 是要写入的字节数。
• write() 返回实际写入的字节数，如果出现错误则返回-1。

（6）关闭文件： 使用 close() 系统调用关闭文件，释放文件描述符。它的原型如下：

int close(int fd);

（7）文件定位： 使用 lseek() 系统调用可以移动文件指针，以支持随机访问文件。它的原型如下：

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

• fd 是文件描述符。
• offset 是要移动的偏移量。
• whence指定偏移量的基准，如文件开头、文件末尾或当前位置。

（8）文件权限和所有权： 使用 chmod() 和 chown() 系统调用可以更改文件的权限和所有者。这些系统调用允许管理文件的访问权限和所有权。

（9）错误处理： 系统调用可能会引发各种错误，如文件不存在、权限不足、磁盘空间不足等。程序需要适当处理这些错误情况，通常通过检查系统调用返回值和 errno 变量来确定是否发生了错误。

（10）同步和异步操作： 文件操作可以是同步或异步的。同步操作会阻塞程序的执行，直到操作完成，而异步操作会允许程序继续执行其他任务。

实践过程