20145216史婧瑶《信息安全系统设计基础》第九周学习总结

教材内容总结

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

这一节涉及到操作系统的基本抽象之一——文件。也就是说，所有的I/O设备都被模型化为文件，而所有的输入输出都被当做对相应文件的读/写。相关的执行动作如下：

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：一个小的非负整数，用来在后续对此文件的所有操作中标识这个文件。有三个已经被指定了的如下：

• 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<unistd.h>

也就是说，在Unix生命周期一开始，0、1、2就被占用，以后的open只能从3开始——习题10.1

在UNIX下还有stdin，stdout，stderr表示同样的含义。

二者的主要区别为：

1.数据类型不同，前者为int类型，后者为FILE*；

2.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。

当打开一个文件的最初时候文件的偏移量为0.

通过seek操作，可以显示的设置文件的当前位置为k。

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。（如果当前位置是k，则改变为k+n）

※EOF的来源：

这里有一个一直以来的理解上的误区：文件结尾处没有明确的EOF信号，是当文件当前位置的数值超过了文件大小时，会处罚一个称为end-of-file的条件，能够被应用程序检测到，这就是所谓的EOF信号。

（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

  （这些值可以用或连接起来）

• 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

（需要注意的是，read和write在正常情况下返回值是实际传送的字节数量）

3.通过lseek函数可以显式的修改当前文件的位置

4.不足值

不足值指在某些情况下，read和write传送的字节比应用程序要求的要少，原因如下：

• 读的时候遇到EOF
• 从终端读文本行
• 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。

rioreadn函数和riowriten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);

参数解析：

• 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

缺点：效率不是很高，每读取文件中的一个字节都要求陷入内核

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);

参数解析：

• 返回值：成功为0，错误为-1
• 输入：stat需要输入文件名，而fstat需要输入的是文件描述符。

需要注意的有两个，stmode和stsize。

• st_size：包含文件的字节数大小
• st_mode：包编码文件访问许可位和文件类型。许可位在第一节提到了，Unix文件类型如下，并有对应的宏指令，含义均为“是xx吗”，这些宏在sys/stat.h中定义：
  • 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()

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

练习10.2中，因为fd1和fd2有独立的文件描述符，它们各自有各自的描述符表、文件表、v-code表，所以它们的读取是各自独立的，最后得值是f。

练习10.3中，Fork是子程序，和父程序共享同一个描述符表、文件表、v-code表，指向相同的文件，所以在子程序执行过后，父程序在其基础上进行，读取下一个字符，是o。

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

这个函数执行的操作是，拷贝描述符表表项oldfd，覆盖描述表表项newfd，如果后者被打开，则在拷贝前关闭它。

练习10.5中，初始情况下fd1和fd2的描述符分别是3和4，所以是两个不同描述符表，指向两个不同的文件，但是由于在读了fd2一个字节之后，将fd1重定向到了fd2，所以此时再读fd1相当于在读fd2，也就是结果是o。

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

标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流。

每个ANSI C程序开始的时候都有三个打开的流：stdin、stdout、stderr，对应于标准输入、标准输出和标准错误 （参见第一节），定义如下：

#include <stdio.h>
extern FILE *stdin;
extern FILE *stdout;
extern FILE *stderr;

附录A

错误处理

1.错误处理风格

（1）Unix风格

遇到错误后返回-1，并且将全局变量errno设置为指明错误原因的错误代码；

如果成功完成，就返回有用的结果。

（2）Posix风格

返回0表示成功，返回非0表示失败；

有用的结果在传进来的函数参数中。

（3）DNS风格

有两个函数，gethostbyname和gethostbyaddr，失败时返回NULL指针，并设置全局变量h_errno。

2.错误处理包装函数

• Unix风格

成功时返回void，返回错误时包装函数打印一条信息，然后退出。

void Kill(pid_t pid, int signum)
{
  int rc;

  if ((rc = kill(pid, signum)) < 0)
  unix_error("Kill error");
}

• Posix风格

成功时返回void，错误返回码中不会包含有用的结果。

void Pthread_detach(pthread_t tid)
{
  int rc;

  if ((rc = pthread_detach(tid)) != 0)
  posix_error(rc, "Pthread_detach error");
}

• DNS风格

  struct hostent *Gethostbyname(const char *name)
  {
    struct hostent *p;
  
    if ((p = gethostbyname(name)) == NULL)
    dns_error("Gethostbyname error");
    return p;
  }
  

教材练习题解析

10.1：在Unix生命周期一开始，0、1、2就被占用，以后的open只能从3开始，因此对open的调用会返回描述符3。

10.2：因为fd1和fd2有独立的文件描述符，它们各自有各自的描述符表、文件表、v-code表，所以它们的读取是各自独立的，最后得值是f。

10.3：Fork是子程序，和父程序共享同一个描述符表、文件表、v-code表，指向相同的文件，所以在子程序执行过后，父程序在其基础上进行，读取下一个字符，是o。

10.5：初始情况下fd1和fd2的描述符分别是3和4，所以是两个不同描述符表，指向两个不同的文件，但是由于在读了fd2一个字节之后，将fd1重定向到了fd2，所以此时再读fd1相当于在读fd2，也就是结果是o。

代码调试中的问题和解决过程

问题：无法编译教材上的代码，显示如图所示错误，未解决

代码托管截图

链接：https://git.oschina.net/sjy519/linux-program-C/tree/master

其他（感悟、思考等，可选）

本周学习了系统级I/O的相关知识点，虽然教材中的内容不是很多，但是学起来并不容易，我感觉书上的文字讲解较抽象，因此理解起来有难度。在实践代码的过程中，又出现了问题，显示没有csapp.h这个文件或目录，自己上网百度后仍然没有解决这个问题，看到有同学发表相关小组话题，但是也没有得到解决问题的方法，希望之后能将这个问题解决，再将教材中的代码验证一遍。

学习进度条