信息安全系统设计基础第八章学习总结

第十章 系统级 I/O

学习过程

1 Unix 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。一个Unix文件就是一个m个字节的序列，所有的I/O设备都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当做对应文件的读和写来执行。

打开文件。一个应用程序通过要求内核打开相应的文件来宣告它想要访问一个I/O设备。内核返回一个小的非负整数，称为描述符，在后续对此文件的所有操作中标识这个文件。

Unix外壳创建的每个进程开始时都有三个打开的文件,可以用来

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。这个文件位置是从文件开头起始的字节偏移量。通过执行seek操作设置文件位置为k。

读写文件。读操作：从文件拷贝n>0个字节到存储器，从当前文件位置k开始，增加到k+n。当k>=文件长度大小时会触发一个称为end-of-file(EOF)的条件。写操作：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。

关闭文件。内核释放文件打开时创建的数据结构。

2 打开和关闭文件

打开一个已存在的文件或者创建一个新文件：

int open（char *filename,int flags,mode_t mode） (若成功则返回新文件描述符，若出错为-1)

open函数将filename转换为一个文件描述符，并且返回描述符数字。

flags参数指明了进程如何访问文件。

mode参数指定了新文件的访问权限位。

关闭一个打开的文件：

int close（int fd）（若成功则为0，若出错则为-1）

关闭一个已关闭的描述符会出错

3 读和写文件

读文件：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。返回值表示实际传送的字节数量，错误返回-1，EOF返回0。

写文件：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。

不足值

读时遇到EOF：文件末尾剩余的字节数不足读取文件的字节片大小。

从终端读文本行：若打开文件与终端相关联，则每个read函数将一次传送一个问本行。返回的不足值等于文本行的大小。

读和写网络套接字（socket）：若打开的文件对应于网络套接字，那么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。

4 用RIO包健壮地读写

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。

ssize_t rio_readn(int fd,void *usrbuf,size_t n);
ssize_t rio_writen(int fd,void *usrbuf,size_t n);
(若成功则返回传送成功的字节数，若EOF则为0（只对rio_readn而言），若出错 则为-1)

RIO的带缓冲的输入函数

rio _ readlineb和rio _ readnb函数从一个内部读缓冲区拷贝一个文本行，当缓冲区变空时，会自动调用read重新填满缓冲区。

void rio_readinitb(rio_t *rp,int fd);(无返回)

ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t maxlen);
ssize_t rio_readnb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_n);
(若成功则返回传送成功的字节数，若EOF则为0，若出错 则为-1)

打开每一个描述符都会调用一次rio _ readinitb函数，他将描述符fd和地址rp处的一个类型为rio _ t的读缓冲区联系起来。

带缓冲的函数的调用不应该和无缓冲的rio _ readn交叉使用。

5 读取文件元数据

应用程序能通过调用stat和fstat函数，检索到关于文件的信息（元数据）。stat函数以一个文件名作为输入，fstat函数以文件描述符作为输入。

#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>

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

st _ size成员包含了文件的字节数大小。st _ mode成员则编码了文件访问许可位和文件类型。

普通文件包括某种类型的二进制或文本数据。

目录文件包含关于其他文件的信息。

套接字是一种用来通过网络与其他进程通信的文件。

6 共享文件

内核用三个相关的数据结构来表示其打开的文件。

描述符表：表项由进程打开的文件描述符来索引的，每个打开的描述符表指向文件表中的一个表项，每个进程有其独立的描述符表。

文件表：打开文件的集合是由一张文件表来表示的，所有的进程共享这张表。包括：当前的文件位置、引用计数、以及一个指向v-node表中对应表项的指针。

v-node表：每个表项包含stat结构中的大多数信息，；包括st_mode和st_size成员，所有进程共享。

7 I/O重定向

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。

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

#include <unistd.h>

int dup2(int oldfd,int newfd);

8 标准I/O

标准I/O库将一个打开的文件模型化为一个流，也就是一个指向FILE类型的结构的指针。

#include <stdio.h>
extern FILE *stdin;  /*标准输入，文件描述符为0*/
extern FILE *stdout;  /*标准输出，文件描述符为1*/
extern FILE *stderr;  /*标准错误，文件描述符为2*/

类型为file的流是对文件描述符和流缓冲区的抽象，目的是使开销较高的Unix I/O系统调用的数量尽可能小。

遇到的问题

flags参数：

“截断”和删除的区别是什么？写文件时设置这样的标志位有何意义？

O_ CERAT：如果文件不存在就创建它的一个截断的（空）文件。

O_TRUNC：如果文件已经存在，就截断它。

有时候我们需要在文件尾端处截取一些数据以缩短文件。文件清空为0,是一个特例。在打开文件时候使用O_TRUNC标志就可以做到这一点。文件没有被删除。

#include <unistd.h>
int truncate(const char* pathname,off_t length)
int ftruncate(int filedes,off_t length);
若成功则返回0，出错则返回-1

参考资料：课本+博客园