2017-2018-1 20155315 《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

教材学习内容总结

• 本周老师让我们学习的是自己觉得最终要的一章，我学习的是第十章。在我看来，不论是什么产品，都存在设计端与使用端，更确切的说，正因为有使用端，才需要设计端。因此，使用端的使用感受最为重要，而作为一个对外的平台与程序，I/O系统是基础和核心，也因此我选择系统级I/O进行深入学习。
• 主要知识点：
  • 输入是从I/O设备复制数据到主存
  • 输出是从主存复制数据到I/O设备

UnixI/O

• 每个unix文件都是一个m字节的序列。
• unixI/O是由内核提供的。
• I/O设备都是文件，输入就是写文件，输出就是读文件。
• 程序要求内核打开文件来说明它想要访问相应的I/O设备，内存返回描述符，fd = Open("文件名",flag参数，mode参数);,此时fd就是一个描述符。
• 每个进程都有三个文件，头文件是
• 文件位置k是字节偏移量，初始为0，用seek查找当前位置。
• 读是将文件复制n个字节到内存中，文件位置增加到k+n，当n大于文件字节的时候，会返回EOF错误，表示读到文章结尾。

文件

• 普通文件分文本文件和二进制文件，文本文件致函ASCII或Unicode字符。
• 对内核而言，文本文件和二进制文件没有区别
• 文本文件每一行都是字符序列
• 目录是一组包含链接的文件。
• 路径名是一个字符串，有绝对路径和相对路径。

打开和关闭文件

• 打开文件

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

  flags	行为
  O_RDONLY	只读
  O_WRONLY	只写
  O_RDWR	可读可写
  O_CREAT	文件不存在即创建一个截断文件
  O_TRUNC	文件存在就截断
  O_APPEND	写之前设置是文件在文件结尾

• 关闭文件

  int close(int fd);

读写文件

• 读文件

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

  返回值	意义
  -1	错误
  0	读到文章末尾
  其他	实际传送的字节数量

• 写文件

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

• 一次一个字节地从标准输入复制到标准输出

  #include "csapp.h"
  int main(void)
  {
  char c;
  while(read(STDIN_FILENO,&c,1)!=0)
  write(STDOUT_FILENO,&c,1);
  exit(0);
  }

  

• ssize_t被定义为long，是有符号的；size_t被定义为unsigned long，是无符号数
• 可能出现不足值
  • 读时遇到FOF
  • 从终端读文本行
  • 读和写网络套接字

RIO（Robust I/O）

• 无缓冲的输入输出:直接在内存和文件之间传送数据

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

• read遇到EOF只能返回一个不足值，write不会返回不足值。
• 被中断时函数会重启read或write
• 带缓冲的输入输出：数据存在缓冲区

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

• readlineb读取一行文本到缓冲区（包括换行符），用NULL（0）结束，最多读maxlen-1个字节
• rio_readnb读取n个字节到缓冲区
• 一次一行地从标准输入复制一个文本文件到标准输出

  #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);
  }

  

  我的理解：读文件主要有三部分。一是init函数初始化，将文件描述符与读缓存区联系在一起；二是readline或readnb将文本复制到读缓存区；三是内部的read函数，当缓冲区为空，调用read填满，非空的时候，read从读缓存区复制字节到用户缓冲区，也就是说，涉及到两个缓冲。

读取

读取元数据

• stat函数以一个文件名作为输入，fstat以文件描述符作为输入

• 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);
  if(S_ISREG(stat.st_mode))
    type = "regular";
  else if(S_ISDIR(stat.st_mode))
    type = "directory";
  else
    type = "other";
  if((stat.st_mode & S_IRUSR))
    readok = "yes";
  else
    readok = "no";
  printf("type:%s,read:%s\n",type,readok);
  }

  

读取目录

opendir
readdir//返回inode和文件名，出错返回NULL,设置errno

共享文件

• 描述符表：每个进程有一个独立的描述表，相当于本地文件
• 文件表：打开文件的集合，所有的进程共享，包括当前的文件地址、引用计数及一个指向v-node中对应项的指针，相当于总表
• v-node表：所有进程共享，包含stat中的大多数信息，相当于详情。
• 多个描述符可通过不同的文件表表项来引用同一个文件。
• 多进程时，子进程继承父进程，复制父进程的描述符表，在内核删除相应表项前，父子进程都要关闭描述符。

重定向

dup2函数，复制oldfd到newfd，若newfd已经打开，dup2会先关闭它。

标准I/O

练习题

10.1

• 代码

  #include "csapp.h"
  int main()
  {
  int fd1,fd2;
  fd1=open("foo.txt",O_RDONLY,0);
  close(fd1);
  fd2=open("baz.txt",O_RDONLY,0);
  printf("fd2=%d\n",fd2);
  exit(0);
  }

• 运行结果

  

• 答案：Unix进程生命周期开始时，打开的描述符赋给了stdin(描述符0)、stdout((描述符1)和stderr(描述符2)。open函数总是返回最低的未打开的描述符，所以第一次调用open会返回描述符3，调用close函数会释放描述符3。最后对open的调用会返回描述符3，因此程序的翰出是“fd2=3”。当文件不存在是，输出“fd2=-1”

10.2

#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);
}

• 运行结果

  

• 答案：fd2读操作读取foobar.txt的第一个字节。

10.3

#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);
}

• 运行结果

  

• 答案：描述符fd在父子进程中都指向同一个打开文件表表项，当子进程读取文件的第一个字节时，文件位置加1。因此，父进程会读取第二个字节，也就是o

10.4

如何用dup2将标准输入重定向到描述符5？

回答：dup2（5,0）

10.5

#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(fd2,&c,1);
dup2(fd2,fd1);
read(fd1,&c,1);
printf("c=%c\n",c);
exit(0);
}

• 答案：将fd1重定向到fd2，因此第二个fd1指的是fd2+1
• 运行结果

  

  回答：将fdl重定向到了fd2，输出实际上是c=o

教材学习中的问题和解决过程

问题1： 使用带缓存的RIO包的时候，为什么要先设定一个缓存区，再将其中的数据转移到缓冲区呢？

解决1：

带缓冲的I/O是指进程对输入输出流进行了改进，提供了一个流缓冲，当用fwrite函数网磁盘写数据时，先把数据写入流缓冲区中，当达到一定条件，比如流缓冲区满了，或刷新流缓冲，这时候才会把数据一次送往内核提供的块缓冲，再经块缓冲写入磁盘。

也就是说，如果直接将数据写入缓存区就系统调用，与不带缓存的RIO是一样的，设定双重缓冲是为保证算法的效率，减少系统调用的次数。

问题2： 为什么使用一个static缓冲区就不是线程安全的？什么是线程安全？

解决2：

非线程安全是指多线程操作同一个对象可能会出现问题。而线程安全则是多线程操作同一个对象不会有问题。

我的理解：static缓冲区是静态的，就好像是静态变量一样，本地操作即单一线程调用的时候是不会出错的，但它不是可以共享的，也就是说其他线程调用的时候就可能出现问题。

代码学习中的问题和解决过程

问题1： 编译书p629代码时

解决1： 将csapp.c、csapp.h和cpfile.c编译在一起gcc csapp.h csapp.c cpfile.c -o cpfile -lpthread

问题2： 编译书p634代码时

解决2: 使用man readdir发现有一个系统调用版本和c版本，使用man 3 readdir发现在csapp.h中缺少dirent.h头文件，加上之后编译通过，运行成功

代码托管

（statistics.sh脚本的运行结果截图）

结对及互评

其他（感悟、思考等，可选）

认真学习I/O相关知识后，知道了输入输出的更多知识，也了解到系统在处理输入输出的时候会操作什么改变什么，希望对今后的学习有所帮助。

学习进度条

• 计划学习时间:20小时
• 实际学习时间:30小时

(有空多看看现代软件工程 课件

软件工程师能力自我评价表)

参考资料

• 《深入理解计算机系统V3》学习指导
• 带缓冲I/O 和不带缓冲I/O的区别与联系
• 线程安全和不安全的分析