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20145216史婧瑶《信息安全系统设计基础》第九周学习总结

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

技术分享

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

技术分享

代码托管截图

技术分享技术分享

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

 代码行数(新增/累积)博客量(新增/累积)学习时间(新增/累积)重要成长
目标 3000行 30篇 300小时  
第一周 0/0 1/2 25/40 学习了Linux基础知识和核心命令 
第二周 0/0 0/2 0/40  
第三周 300/300 3/5 40/80

学习了vim、gcc、gdb指令;

学习了信息表示和处理

 

第五周 200/500 1/6 45/125

学习了程序的机器级表示

第六周 150/650 1/7 40/165

学习了处理器体系结构

 

第七周 100/750 1/8 40/205

学习了存储器层次结构

 

第八周 46/796 2/10 40/245

复习了以前的知识点

第九周 124/920 1/11 40/285

学习了系统级I/O的相关内容

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