[CS:APP]程序间的交互和通信 _通信

炒沙作縻终不饱，缕冰文章费工巧。这篇文章主要讲述[CS:APP]程序间的交互和通信相关的知识，希望能为你提供帮助。
《鸟哥的Linux私房菜：基础学习篇(第四版)》

第5章 Linux的文件权限与目录配置
第6章 LInux文件与目录管理(正在进行)

《CSAPP》

第10章系统级IO 10.1~10.5(正在进行)

文件
- 文件名
- 文件扩展名
- 文件种类
- 多用户
- 文件权限
- Linux命令
- Linux目录规范
Unix I/O函数
- 访问文件方式
- 访问权限位
- 打开文件
- 关闭文件
- 改变当前文件位置k
- 读写文件
奥哈拉伦博士对Unix I/O函数的封装：RIO包
- RIO无缓冲的输入输出函数(化零为整)
- RIO带缓冲的输入函数(化整为零)
- 函数实现

文章图片

文件文件名文件或目录名的最大长度：255字节
文件名需要避免特殊字符(保留字符)：

? >
 <
 ;
 &
 ! [ ] | \\ \' "

（） { } 以.`开头作为隐藏文件
文件扩展名仅仅为了了解该文件可能的用途而已

*.sh ：脚本或批处理文件（scripts）
Z, .tar, .tar.gz, .zip, *.tgz：经过打包的压缩文件

文件种类

正规文件-：内容是数据
- 文本文件(只含有ASCII或Unicode字符的普通文件、包含若干文本行以\\n结束)
- 数据格式文件(特定格式的文件)
- 二进制文件(其他普通文件)
目录d：内容是文件名列表，包含一组连接(link)的文件(文件名.该目录自身的链接、..该目录的父目录的链接、文件的链接、其他目录的链接)，/代表根目录、~代表当前用户目录
链接文件l:类似Windows系统的快捷方式
设备与设备文件（device）：与系统周边及储存等相关的一些文件，集中在/dev目录下
- 区块（block）设备文件b：可随机存取设备(软盘、磁盘等)
- 字符（character）设备文件c：一次性读取设备(鼠标、键盘等)
数据接口文件（sockets）s：套接字,与另一个进程进行跨网络通信的文件，常在/run或/tmp目录下
数据输送档(FIFO,pipe)p：解决多个程序同时存取一个文件所造成的错误问题

多用户/etc/passwd用户账号列表
/etc/group群组列表
ACL-Access Control Lists
文件权限针对多用户操作系统，保护文件或目录的内容的安全

文件的3种可存取的身份：owner(文件拥有者)、group(群组)、others(其他人)
每种身份的3种权限

bit位	数字	字母	来源	对文件的控制	对目录(抽屉)的控制
2	`4`	`r`	Read	读取文件的内容	列出目录的内容(抽屉的灯光)
1	`2`	`w`	Write	新增、编辑文件内容	创建、删除、重命名、移动文件或目录
0	`1`	`x`	eXecute	判断文件是否可执行类似于windows的扩展名`.exe`、`.bat`、`.com`	能否`cd`进入该目录成为工作目录(抽屉的钥匙)
任意	`0`	`-`	-	无权限	无权限

系统文件---------(000)只有root用户才能读写或执行

Linux命令

文件操作命令	来源	常用参数	作用
ls	List directory contentS	`ls -al`	列出目录内容 `-a`是列出包括`.`开头的文件 `-l`是列出所有的文件详细的权限和属性 1.显示文件类型和权限(十个字符)、 2.链接：有多少文件名连接到一个`i-node`节点、 3.拥有者、 4.群组、 5.文件大小(字节)、 6.创建或最近修改日期： □ 当年格式：`月日时:分`、 □ 非当年格式: `月日年`、 7.文件名
chgrp	CHange GRouP	`chgrp [-R] 群组文件`	改变文件所属群组 `-R`递归修改
chown	CHange file OWNer and group	`chown [-R] 账号[:群组] 文件`	改变文件拥有者和群组
chmod	CHange file MODes or ACL	`chmod [-R] 权限文件`	改变文件的权限 □ 数字类型：三个数字代表`[0-7]{3}` □ 符号类型：`[u\|g\|o\|a][+\|-\|=][r\|w\|x\|-]{1,3}` `u`、`g`、`o`代表三种身份、`a`代表所有人 `=`设置、`+`提权、`-`降权
touch	change file access and modification times	`touch 文件`	创建空文件
cat	concatenate and print files	`cat 文件`	将一个文件内容读出来

目录操作命令	来源	常用参数	作用
cd	Change Directories	`cd 目录`	改变当前工作目录登录后默认切换到自己帐号的主文件夹
pwd	Print Working Directory	`pwd [-P]`	显示当前工作目录 `-P`显示出确实的路径，而非使用链接 link路径
mkdir	MaKe DIRectories	`mkdir [-m 权限] [-p] 目录`	创建空目录 `-p`递归创建父路径 `-m` 直接设置权限,不使用默认权限
rmdir	ReMove DIRectories	`rmdir 目录`	删除一个空的目录 `-p`递归删除父路径
rm	unlink--ReMove directory entries	`rm [-rf] 目录或文件`	删除文件或一个目录 `-r`递归清空 `-f` 不需确认

Linux目录规范FHS，Filesystem Hierarchy Standard

示例	不可分享给其他主机	可分享给其他主机
不变的(static)	`/etc`配置文件	`/usr`软件安装
可变动的(variable)	`/var/run`程序相关	`/var/mail`使用者邮件信箱

/ ：根目录，与开机系统有关(保持根目录越小越好)

根目录	作用
`/boot`	开机配置文件、核心文件、开机菜单等等
/bin	LInux的root用户常用命令单人维护模式能够执行的命令
/sbin	LInux的开机、修复、还原系统所需要的指令
/lib	开机时会用到的函数库，以及在`/bin`或`/sbin`下面的指令会调用的函数库而已
`/lib64`	支持 64 位的函数库等
`/run`	开机运行产生的各项信息
/dev	所有系统设备文件
`/media`	可移除的设备：软盘、光盘、DVD
`/mnt`	要临时挂载某些额外的设备
`/proc`	虚拟文件系统：在内存当中,系统核心、进程信息、周边设备状态及网络状态等
`/sys`	虚拟文件系统：记录核心与系统硬件信息较相关的信息
`/home`	系统默认的使用者主文件夹
`/root`	系统管理员（root）的主文件夹，单人维护模式可以挂载该目录
/etc	配置文件
`/tmp`	暂时放置文件的地方,建议开机时清空
`/opt`	第三方协力软件
`/srv`	“service”的缩写,一些网络服务启动之后的数据目录
`/lost+found`	使用标准的ext2/ext3/ext4文件系统,(xfs取消) 当文件系统发生错误时将一些遗失的片段放置到这个目录下

/usr：Unix Software Resource，安装时会占用较大硬盘容量的目录、系统预装软件、建议即使挂载成为只读，系统还是可以正常运行

类似Windows 系统的“C:\\Windows\\ （当中的一部份） + C:\\Program files\\”
CentOS 7.x 版本将 /sbin, /bin, /lib移动到/usr目录下,在救援模式挂载/usr

软件目录	作用
`/usr/bin/`	一般用户能够使用指令集合、 `/bin`链接到此要求在此目录下不应该有子目录
`/usr/sbin/`	系统管理员常用指令集 `/sbin`链接到此
`/usr/lib/`	`/lib`链接到此
`/usr/lib64/`	`/lib64`链接到此
`/usr/local/`	系统管理员在本机自行安装自己下载的软件
`/usr/share/`	共享文件
`/usr/include/`	`c/c++`等程序语言的文件开始（header）与包含档（include）放置处
`/usr/libexec/`	某些不被一般使用者惯用的可执行文件或脚本（script）等
`/usr/src/`	一般源代码建议放置到这里

/var：VARiable，在系统运行后才会渐渐占用硬盘

目录	作用
`/var/cache/`	程序运行中会产生的暂存盘
`/var/lib/`	程序运行中，需要使用到的数据文件放置的目录
`/var/lock/`	某些设备或者是文件资源一次只能被一个应用程序所使用
`/var/log/`	系统登录文件
`/var/mail/`	放置个人电子邮件信箱的目录链接到/var/spool/mail/
`/var/run/`	某些程序或者是服务启动后，会将他们的PID放置在这个目录下链接到 /run
`/var/spool/`	目录通常放置一些排队等待其他程序使用的数据，被使用后通常都会被删除

Unix I/O函数

头文件	作用	内容
`sys/types.h`	操作系统的数据类型	clock_t： dev_t：设备类型 mode_t：文件访问权限位类型 pid_t：进程ID size_t：(ulong)设置占据内存的字节数 ssize_t：(long)返回字节长度结果 off_t：(long)偏移量
`sys/stat.h`	操作系统的文件元信息	文件访问权限位宏 struct stat
`fcntl.h`	控制操作描述符	函数：open、
`unistd.h`	Linux/Unix系统调用函数	函数：close、lseek、read、write

系统调用

system call 控制权从程序到系统，切换上下文，开销比较大(2~4万个时钟周期)
每次系统调用时都应该检查返回值

访问文件方式

宏名	如何访问文件
O_RDONLY	只读
O_WRONLY	只写
O_RDWR	可读写

宏名	打开文件后怎么处理、文件不存在怎么处理
O_CREAT	若存在则覆盖(不存在就创建)
O_TRUNC	若存在则覆盖(不存在不创建)
O_APPEND	若存在则追加结尾(不存在不创建)

访问权限位在sys/stat.h中定义：

宏名：S_I[R|W|X][USR|GRP|OTH](USR拥有者、GRP群组、OTH其他人)

mode_t umask(mode_t mask);

每个进程都用umask函数可以设置一个umask的值、最终打开文件时的文件访问权为：mode& ~umask、通常为umask(0)

打开文件

应用程序要求内核打开相关文件，将filename转为文件描述符，来声明使用某个IO设备。
并返回一个非负整数(描述符：在当前进程中当前未被打开的最小描述符,一般从3开始)
linux shell在每个进程开始时自动打开三个文件(0-标准输入STDIN_FILENO、1-标准输出STDOUT_FILENO、2-标准错误STDERR_FILENO)。
使用limit命令：查看descriptors值-允许同事打开文件数量限制

#include < sys/types.h> #include < sys/stat.h> #include < fcntl.h> //int flags：访问文件方式 //mode_t mode：文件访问权限位 int open(char *filename,int flags,mode_t mode);

关闭文件

应用程序要求内核关闭文件、由内核释放文件打开时创建的数据结构、描述符变为当前未被打开的描述符、当进程结束时也可自动调用关闭所有文件并释放内存资源、当前文件位置k=0
关闭一个已关闭的描述符会出错(多线程时)

#include < unistd.h> int close(int fd);

改变当前文件位置k

大多数文件都有文件位置k：在打开文件,内核中始终保持一个文件位置k(从文件开头起始的字节偏移量、已读写字节数、初始值为0)
但像终端和套接字没有文件位置k：无法通过改变当前文件位置，读取之前接收和未来接收的数据

#include< sys/types.h> #include< unistd.h> //int fd：已打开的文件描述符 //off_t offset：相对偏移量(long) //int whence：参考系(SEEK_SET 文件开头、SEEK_CUR 文件当前位置、SEEK_END文件结尾) //返回值：新的文件位置(偏移量) off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

读写文件

从m个字节的文件当前位置k，复制n个字节到内存，并将文件当前位置更新为k+n
从文件的当前位置k开始，把内存的n个字节复制，并将文件当前位置更新为k+n

#include < unistd.h> //int fd：已打开的文件描述符 //void *buf：保存数据的内存位置 //size_t n：(ulong)一次读取或写入的字节数ssize_t read(int fd,void *buf,size_t n); ssize_t write(int fd,void *buf,size_t n);

返回值ssize_t：(long,计算字节数,值可为负)

当k≥m时，即触发EOF条件(并没有EOF符号)返回0
若读取出错返回-1
若正常返回实际读取的字节数(≤n)
其中，当返回＜n时为不足值：在文件上读写遇到EOF、在终端上读写输入遇到回车(文本行)、在套接字上读写(底层缓冲约束1000~1500字节、网络延迟等)

#include < stdio.h> #include < sys/stat.h> #include < sys/types.h> #include < fcntl.h> #include < unistd.h> int main() { int fd,i; ssize_t wlen, rlen; char buf[10]={""}; //创建并写入文件 fd = open("myfile", O_WRONLY | O_CREAT, 0644); wlen = write(fd, "hello_world", 11); printf("write length:%zd\\n", wlen); close(fd); //重置指针位置 //打开并读取文件 fd = open("myfile", O_RDONLY | O_CREAT, 0644); for (i = 0; i < 5; i++){ rlen = read(fd, buf, 5); printf("buf:%s,length=%zd\\n", buf, rlen); memset(buf, 0, 10); } close(fd); return 0; }

输出

write length:11 buf:hello,length=5 buf:_worl,length=5 buf:d,length=1 buf:,length=0 buf:,length=0

【[CS:APP]程序间的交互和通信】使用命令可以跟踪调用函数过程

strace -e trace=write,read ./xxx.c

奥哈拉伦博士对Unix I/O函数的封装：RIO包 RIO无缓冲的输入输出函数(化零为整)合适用途：socket收发通讯帧时，解决1.5KB以上的较长帧会被系统底层缓冲约束自动拆分成若干帧

针对终端输入遇到回车或套接字底层缓冲约束1000~1500字节，导致使read或write返回值不足n时
会自动调用read或write自动拼接usrbuf内，直到返回n(终端、套接字)或直到EOF(套接字)停止调用

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

rio_readn示例过程

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RIO带缓冲的输入函数(化整为零)合适用途：读取一个超大文件时，调用一次read，将大量数据放到内部缓冲区中，供rio_readnb分多次取出少量数据（减少io开销）

#define RIO_BUFSIZE 8192 typedef struct{ int rio_fd; //文件描述符 int rio_cnt; //内部缓冲区未读取字节数 char *rio_bufptr; //内部缓冲区未读的位置 char rio_buf[RIO_BUFSIZE]; //内部缓冲区 } void rio_readinitb(rio_t *rp,int fd); //初始化结构体变量rp、初始化内部缓冲区并绑定一个fdssize_t rio_read(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t n); //一次read填满内部缓冲区,并从内部缓冲区读取一部分数据ssize_t rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n); //从rp中的内部缓冲区读取n个字节，将rio_readn中的read替换为rio_read ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp,void *usrbuf, size_t maxlen); //从rp中的内部缓冲区读取一个文本行的内容

rio_read示例过程

初始状态

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调用read填充内部缓冲区

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读取2048字节内容到usrbuf

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再次读取2048字节内容到usrbuf

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函数实现

#include < sys/stat.h> #include < sys/types.h> #include < fcntl.h> #include < unistd.h> #include < errno.h> ssize_t rio_readn(int fd, void *usrbuf, size_t n) { size_t nleft = n; //尚未读取字节数 ssize_t nread; //本次读取字节数 char *bufp = usrbuf; //临时操作内存的指针(保持usrbuf的位置不变)while (nleft > 0) { if ((nread = read(fd, bufp, nleft)) < 0){ return -1; //报错 }else if (nread == 0){ break; //EOF } nleft -= nread; //更新尚未读取字节数 bufp += nread; //移动临时操作内存的指针 } return (n - nleft); }ssize_t rio_writen(int fd, void *usrbuf, size_t n) { size_t nleft = n; //尚未写入字节数 ssize_t nwritten; //本次写入字节数 char *bufp = usrbuf; //临时操作内存的指针(保持usrbuf的位置不变)while (nleft > 0) { if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < = 0){ return -1; //报错 } nleft -= nwritten; //更新尚未写入字节数 bufp += nwritten; //移动临时操作内存的指针 } return n; } void rio_readinitb(rio_t *rp,int fd){ rp-> rio_fd=fd; rp-> rio_cnt=0; rp-> rio_bufptr=rp-> rio_buf; }static ssize_t rio_read(rio_t *rp,void *usrbuf,size_t n){ int cnt; //如果内部缓冲区为空 while(rp-> rio_cnt< =0){ rp-> rio_cnt=read(rp-> rio_fd,rp-> rio_buf,sizeof(rp-> rio_buf)); //一次read将内部缓冲区填满 if(rp-> rio_cnt< 0){ return -1; //报错 }else if(rp-> rio_cnt==0){ return 0; //EOF }else{ rp-> rio_bufptr=rp-> rio_buf; //未读指针指向内部缓冲区开头 } } cnt=(rp-> rio_cnt< n?rp-> rio_cnt:n); //cnt=min(rp-> rio_cnt,n) memcpy(usrbuf,rp-> rio_bufptr,cnt); rp-> rio_bufptr+=cnt; rp-> rio_cnt-=cnt; return cnt; }ssize_t rio_readnb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t n) { size_t nleft = n; //尚未读取字节数 ssize_t nread; //本次读取字节数 char *bufp = usrbuf; //临时操作内存的指针(保持usrbuf的位置不变)while (nleft > 0) { if ((nread = rio_read(rp, bufp, nleft)) < 0){ return -1; //报错 }else if (nread == 0){ break; //EOF } nleft -= nread; //更新尚未读取字节数 bufp += nread; //移动临时操作内存的指针 } return (n - nleft); } ssize_t rio_readlineb(rio_t *rp, void *usrbuf, size_t maxlen) { int n, rc; char c; char *bufp = usrbuf; //临时操作内存的指针(保持usrbuf的位置不变) for (n = 1; n < maxlen; n++) { if ((rc = rio_read(rp, & c, nleft)) == 1){ *bufp++ = c; if (c == \'\\n\'){ n++; break; } }else if (rc == 0){ if (n == 1){ return 0; //EOF 尚未读取数据 }else{ break; //EOF 读取部分数据 } }else{ return -1; //报错 } } *bufp = 0; //结束符0x00 return n - 1; }