資訊安全系統設計基礎第十周學習總結

系統級I/O

• 輸入/輸出(I/O)是在主存和外部裝置之間拷貝資料的過程。
• 輸入操作是從I/O裝置拷貝資料到主存。
  • I/O→主存
• 輸出操作是從主存拷貝資料到I/O裝置。
  • 主存→I/O

Unix I/O

• 所有的I/O裝置都被模型化為檔案。
• 所有的輸入和輸出都被當作對相應檔案的讀和寫來執行。
• 打開檔案
  • 應用程式通過要求核心打開相應的檔案，來宣告它想要通路一個I/O裝置。
  • 核心傳回一個小的非負整數，稱為描述符。
  • 核心記錄有關這個打開檔案的所有資訊。
  • 應用程式隻需要記住操作符即可。
• 建立每個程序開始時三個打開的檔案
  • 标準輸入（描述符為0）|STDIN_FILENO
  • 标準輸出（描述符為1）|STDOUT_FILENO
  • 标準錯誤（描述符為2）|STDERR_FILENO
• 改變目前的檔案位置
  • 對于打開的檔案，核心儲存着該檔案的位置k，初始值為0
  • k為從檔案開頭起始的位元組偏移量
  • 應用程式通過執行seek操作，顯式地設定檔案的目前位置為k
• 讀寫檔案
  • 讀操作：
    • 從檔案拷貝n>0個位元組到存儲器
    • 從目前檔案位置k開始
    • 将k增加到k+n
    • 給定一個大小為m位元組的檔案，當k≥m時（即目前檔案位置已到檔案尾），此時執行讀操作會觸發end-of-file(EOF)條件。
    • 在檔案的結尾并未明确的EOF符号
  • 寫操作：
    • 從存儲器拷貝n>0個位元組到一個檔案
    • 更新k
• 關閉檔案
  • 應用完成對檔案的通路後，會通知核心關閉該檔案。
  • 核心釋放檔案打開時建立的資料結構，并恢複描述池。
  • 無論一個程序因為何種原因終止，核心都會關閉所有打開的檔案并釋放它們的存儲器資源。

打開和關閉檔案

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

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

• sys/types.h 基本系統資料類型，其中包括核心位址、系統時間、裝置号、檔案描述集、檔案位置等類型。
• sys/stat.h 用于擷取一個檔案的所有資訊，包括檔案對應的模式、裝置号碼、檔案所有者、最後被通路的時間、最後被修改的時間等。ls -l指令就用到了該頭檔案中所包含的類型。
• fcntl.h 檔案資訊控制類型(file control),定義了很多宏和open.fcntl函數原型。

open函數

• char *filename 參數filename指向欲打開的檔案路徑字元串。
• int flags 旗标
  • O_RDONLY 以隻讀方式打開檔案

    • define O_RDONLY 00

  • O_WRONLY 以隻寫方式打開檔案

    • define O_WRONLY 01

  • O_RDWR 以可讀寫方式打開檔案。

    • define O_RDWR 02

  • 上述三種旗标是互斥的，也就是不可同時使用，但可與下列的旗标利用OR(|)運算符組合。
  • O_CREAT 若欲打開的檔案不存在則自動建立該檔案。

    • define O_CREAT 00000100

  • O_TRUNC 若檔案存在并且以可寫的方式打開時，此旗标會令檔案長度清為0，而原來存于該檔案的資料也會消失。

    • define O_TRUNC 00001000

  • O_APPEND 當讀寫檔案時會從檔案尾開始移動，也就是所寫入的資料會以附加的方式加入到檔案後面。

    • define O_APPEND 00002000

  • mode_t mode 檔案權限标志

    1. S_IRUSR 所有者擁有讀權限
      2. S_IWUSR 所有者擁有寫權限
      3. S_IXUSR 所有者擁有執行權限
      4. S_IRGRP 群組擁有讀權限
      5. S_IWGRP 群組擁有寫權限
      6. S_IXGRP 群組擁有執行權限
      7. S_IROTH 其他使用者擁有讀權限
      8. S_IWOTH 其他使用者擁有寫權限
      9. S_IXOTH 其他使用者擁有執行權限
               

  • 檔案權限标志也可以用權重數字表示，這組數字被成為umask變量，它的類型是mode_t,是一個無符号八進制數。
    • umask變量由3位數字組成，數字的每一位代表一類權限，使用者所獲得的權限是權重數值的總和。
    • 例如764表示所有者擁有讀、寫和執行權限，群組擁有讀和寫權限，其他使用者擁有讀權限。
    • 0表示沒有任何權限。
    • 每個程式都有一個umask的值，并且預設為022。可以通過umask()函數調用設定。
      • umask()會将系統umask值設成參數mask&0777後的值，然後将先前的umask值傳回。在使用open()建立新檔案時，該參數 mode并非真正建立檔案的權限，而是(mode& ~umask)的權限值。
      • 例如，在建立檔案時指定檔案權限為0666，通常umask值預設為 022，則該檔案的真正權限則為0666&～022＝0644
  • 書上例子解析：

    #define DEF_MODE S_IRUSER|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH //擁用者、群組、其他人都擁有讀寫權限，相當于666
      #define DEF_MASK S_IWGRP|S_IWOTH //使用者組、其他人擁有寫權限，相當于022
      umask(DEF_UMASK); //将目前的umask值設定成022
      fd = open("foo.txt",O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY,DEF_MODE); //DEF_MODE此時的值應該為DEF_MODE &~DEF_UMASK，即666&~022=644，則檔案的擁有者有讀寫權利，所有其他的使用者隻有讀權利。
               

  • 傳回值 若成功則為新檔案描述符，若出錯為-1。傳回的描述符總是在程序中目前沒有打開的最小描述符。
  • 示例：fd = open("foo.txt",O_WRONLY|O_APPEND,0)
    • 表示打開一個已存在的檔案，并在後面添加一些資料。

close函數

#include <unistd.h>

int close(int fd);
           

• unistd.h 提供了close()函數。
• 傳回值：成功傳回0，出錯傳回-1并設定errno
• 參數fd是要關閉的檔案描述符。
  • 需要說明的是，當一個程序終止時，核心對該程序所有尚未關閉的檔案描述符調用close關閉，是以即使使用者程式不調用close，在終止時核心也會自動關閉它打開的所有檔案。
• 若省略fd，則将關閉Open語句打開的所有活動檔案。

讀和寫檔案

讀檔案

#include <unist.h>
ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n);
           

• fd 檔案描述符
• *buf 緩沖區指針，用于儲存讀出來的資料。
• n 所需要讀取的位元組數
• 傳回值類型為ssize_t 表示有符号的size_t。
  • size_t(size type),表示一種整型類型，包含int、long等。
  • 傳回所讀取的位元組數；0（讀到EOF）；-1（出錯）。
  • 以下幾種情況會導緻讀取到的位元組數小于 n ：
    • A. 讀取普通檔案時，讀到檔案末尾還不夠 n 位元組。例如：如果檔案隻有 30 位元組，而我們想讀取 100 位元組，那麼實際讀到的隻有 30 位元組，read 函數傳回 30 。此時再使用 read 函數作用于這個檔案會導緻 read 傳回 0 。
    • B. 從終端裝置（terminal device）讀取時，一般情況下每次隻能讀取一行。
    • C. 從網絡讀取時，網絡緩存可能導緻讀取的位元組數小于 n位元組。
    • D. 讀取 pipe 或者 FIFO 時，pipe 或 FIFO 裡的位元組數可能小于 n 。
    • E. 從面向記錄（record-oriented）的裝置讀取時，某些面向記錄的裝置（如錄音帶）每次最多隻能傳回一個記錄。
    • F. 在讀取了部分資料時被信号中斷。

寫檔案

#include <unist.h>
sszize_t write(int fd,const void *buf,size_t n);
           

• const void *buf 資料來源buf，const所描述的對象具有不變性，不可更新。
• n 從存儲器位置buf拷貝至多n個位元組到描述符fd的目前檔案位置。
• 傳回值 一般等于n，否則就是出錯。
  • 常見出錯的原因：
    • 磁盤空間滿了
    • 超過檔案大小限制

書上cpstdin.c代碼測試

書上的源代碼僅為理論上講述的程式，說明了一次一個位元組地從标準輸入拷貝到标準輸出的功能，但是并未有明顯的表示。是以我将代碼修改了，通過兩個檔案foo.txt與foo1.txt來展現該功能。

• foo.txt文檔中存放着123456的文本
• foo1.txt為空文檔。
• 代碼功能将foo.txt中的文本一次一個地寫入foo1.txt文檔中。
• 代碼如下：

  /* $begin cpstdin */	
    #include "csapp.h"
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    int main(void)
    {
       char c = 1;
       int fd1,fd2;
       fd1 = open("foo.txt",O_RDWR);//打開foo.txt，并将檔案描述符儲存至fd1
       fd2 = open("foo1.txt",O_RDWR);//打開	foo1.txt，并将檔案描述符儲存至fd2
       while(read(fd1,&c, 1) != 0)//當未讀到EOF,則循環進行
       write(fd2, &c, 1);//将一個字元寫入foo1.txt中
      exit(0);
    }
    
    /* $end cpstdin */
             

• 運作結果如下：

用RIO包健壯地讀寫

• RIO（Robust I/O，健壯地I/O）包：它會自動為你處理不足值。
  • 不足值：read和write傳送的位元組比應用程式要求地要少。
• RIO提供了兩類不同的函數：
  • 無緩沖的輸入輸出函數。 沒有應用級緩沖，它們對将二進制資料讀寫到網絡和從網絡讀寫二進制資料尤其有用。
  • 帶緩沖的輸入函數。 高效地從檔案中讀取檔案行和二進制資料，這些檔案的内容緩存在應用級緩存區内。

RIO的無緩沖的輸入輸出函數

• 通過調用rio_readn和rio_writen函數，應用程式可以在存儲器和檔案之間直接傳送資料。

  #include "csapp.h"
    ssize_t rio_readn(int fd,void *usrbuf,size_t n);
             

• void *usrbuf 存儲器位置
• size_t n 傳送的位元組數
• 傳回值 若成功則為傳送的位元組數，若EOF則為0，若出錯則為-1
• 功能 從描述符fd的目前檔案位置最多傳送n個位元組到存儲器位置usrbuf。

  #include "csapp.h"
    ssize_t rio_writen(int fd,viod *usrbuf,size_t n);
             

• 傳回值 若成功則為傳送的位元組數，若出錯則為-1
• 功能 從位置usrbuf傳送n個位元組道描述符fd。

RIO帶緩沖地輸入函數

• 一個文本行就是一個由換行符結尾的ASCII碼字元序列。
• 在Unix系統中，換行符的數值未0x0a。

  #include "csapp.h"
    void rio_readinitb(rio_t *rp,int fd);
             

• 每打開一個描述符都會調用一次rio_readinitb，它将描述符fd和位址rp處的一個類型為rio_t的讀緩沖區練習起來。

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

• rio_t 設定一個位址
• void *usrbuf 緩存區位址
• size_t maxlen 讀取的最大長度
• 功能 從一個内部讀緩沖區拷貝一個文本行，當緩沖區變空時，會自動地調用read重新填滿緩沖區。
• rio_readlineb函數最多讀maxlen-1個位元組，餘下的一個字元留給結尾的空字元。
• 超過maxlen-1位元組的文本行被截斷，并用一個空字元結束。
• ssize_t rio_readnb(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t n);
• 功能 對于既包含文本行也包含二進制資料的文本，進行拷貝文本行操作。
• 從檔案rp最多讀n個位元組道存儲器位置usrbuf。

對同一描述符，對rio_readlineb和rio_readnb的調用可以任意交叉進行，但不應該和無緩沖的rio_readn函數交叉使用。

讀取檔案中繼資料

• 應用程式能夠通過調用stat和fstat函數，檢索到關于檔案的資訊（也稱為檔案的中繼資料）。

  #include <unistd.h>
    #include <sys/stat.h>
    int stat(const char *filename,struct stat *buf);
             

• filename 檔案名
• struct stat *buf 結構體stat中各個成員，如下：

  struct stat {
  
    mode_t     st_mode;       //檔案對應的模式，檔案，目錄等
  
    ino_t      st_ino;       //inode節點号
  
    dev_t      st_dev;        //裝置号碼
  
    dev_t      st_rdev;       //特殊裝置号碼
  
    nlink_t    st_nlink;      //檔案的連接配接數
  
    uid_t      st_uid;        //檔案所有者
  
    gid_t      st_gid;        //檔案所有者對應的組
  
    off_t      st_size;       //普通檔案，對應的檔案位元組數
  
    time_t     st_atime;      //檔案最後被通路的時間
  
    time_t     st_mtime;      //檔案内容最後被修改的時間
  
    time_t     st_ctime;      //檔案狀态改變時間
  
    blksize_t st_blksize;    //檔案内容對應的塊大小
  
    blkcnt_t   st_blocks;     //偉建内容對應的塊數量
  
  };
  
  
    int fstat(int fd,struct stat *buf);
             

• int fd 檔案描述符
• 不同的檔案類型
  • 普通檔案
  • 目錄檔案
  • 網絡套接字
• 宏指令根據st_mode成員來确定檔案的類型
  • S_ISREG() —— 這是一個普通檔案嗎？
  • S_ISDIR() —— 這是一個目錄檔案嗎？
  • S_ISSOCK() —— 這是一個網絡套接字嗎？

共享檔案

• 核心用三個資料結構來表示打開的檔案：
  • 描述符表
    • 每個程序都有它獨立的描述符表
  • 檔案表
    • 打開檔案的集合是由一張檔案表來表示的，所有的程序共享這張表。
    • 每個檔案表的表項組成：
      • 目前的檔案位置
      • 引用計數
      • 指向v-node表中對應表項的指針
  • v-node表
    • 所有的程序共享這張v-node表。

I/O重定向

• 利用dup2函數進行I/O重定向工作

  #include <unistd.h>
    	int dup2(int oldfd,int newfd);
             

• dup2函數拷貝描述符表表項oldfd到描述符表表項newfd，覆寫描述符表表項newfd以前的内容。
• 如果newfd已經打開了，dup2會在拷貝oldfd之前關閉newfd。

标準I/O

• ANSI C定義了一組進階輸入輸出函數，成為标準I/O庫。
  • 提供了打開和關閉檔案的函數(fopen/fclose)
  • 讀和寫位元組的函數(fread/fwrite)
  • 讀和寫字元串的函數(fgets/fputs)
  • 複雜的格式化的I/O函數(scanf/printf)
• 标準I/O庫将一個打開的檔案模型化為一個流。
• 每個ANSI C程式開始時都有三個打開的流stdin、stdout和stderr。
• 類型為FILE的流是對檔案描述符和流緩沖區的抽象。

實驗代碼

1. cp1.c

   該代碼的功能為生成一個與其一樣内容的檔案。

   運作測試（拷貝cp1.c至cp2.c）

   2.echostate.c

   該代碼的功能為檢視此時echo值為多少，配合setecho使用。

   3.setecho.c

   該代碼的功能是輸入y時，即可顯示輸入。輸入除y外的内容，即可隐藏輸入

   運作結果：

   4.fileinfo.c

   該代碼的功能是顯示檔案的資訊

   5.filesize.c

   該代碼的功能是顯示檔案的位元組數

   6.who1.c

   該代碼的功能是将系統使用者操作顯示出來。

   7.ls1.c

   該代碼的功能是顯示目前目錄的檔案

   8.ls2.c

   該代碼的功能同ls1.c相同，但多了檔案的權限資訊。

   9.spwd.c

   該代碼的功能是顯示目前檔案夾路徑，同pwd。

   10.testioctl.c

   該代碼的功能是顯示檔案内容的行列。

參考資料

1.《Computer.Systems.A.Programmer's.Perspective.2nd.CN》教材

2.《打開檔案、建立檔案和關閉檔案操作》http://book.51cto.com/art/200912/169537.htm

3.《linux下的檔案操作函數》http://jingyan.baidu.com/article/6dad5075c33056a123e36ecf.html

4.《linux下的umask()函數》http://www.360doc.com/content/12/0605/16/9305922_216186419.shtml