《信息安全系统设计与实现》第四周学习笔记

第七章：文件操作

文件操作级别

硬件级别
- fdisk：将硬盘、U盘或SDC盘分区
- mkfs：格式化磁盘分区，为系统做好准备
- fsck：检查和维修系统
- 碎片整理：压缩文件系统中的文件
操作系统内核中的文件系统函数
- 前缀为k表示内核函数
系统调用：用户模式使用系统调用来访问内核函数

I/O库函数：除了读/写内存位置的sscanf()/sprintf()函数之外，所有其他I/O库函数都建立在系统调用之上，也就是说，它们最终会通过系统内核发出实际数据传输的系统调用

    FILE mode I/O:fopen()、fread()；fwrite()、fseek()、fclose()、fflush()
    char mode I/O:getc()、getchar()、ugetc()、putc()、putchar()
    line mode I/O:gets()、fgets()、puts()、fputs()
    formatted I/O:scanf()、fscanf()、sscanf()、printf()、fprintf()、sprintf()

用户命令：用户可以使用Unix/Linux命令来执行文件操作，而不是编写程序。
sh脚本

文件I/O操作

用户模式下的程序执行操作
- FILE *fp = fopen("file","r");or FILE *fp = fopen("file","w");
fopen在用户（heap）空间中创建一个FILE结构体，向内核中的kopen()发出一个fd = open("file",flags = READ or WRITE)系统调用，构建一个Opentable表示打开文件实例。成功后，fp会指向FILE结构体.
fread(ubuf,size,nitem,fp)`:将nitem个size字节读取到ubuf上,通过：
- 若数据足够，则返回、
- 如果fbuf没有更多数据，则执行（4a）
  （4a）发出read(fd,fbuf,BLKSIZE)系统调用，将文件从内核读取到fbuf，然后将数据复制到ubuf上，直到数据足够或者文件无更多数据可复制
  （4b）fwrite(ubuf,size,nitem,fp):将数据从ubuf复制到fbuf
- 若(fbuf有空间)：将数据复制到fbuf上，并返回
- 若(fbuf已满)：发出write(fd,fbuf,BLKSIZE)系统调用，将数据块写入内核，然后再次写入fbuf
内核中的文件系统函数：假设非特殊文件的read（fd,fbuf[],BLKSIZE）系统调用。
read()系统调用中，fd是一个打开的文件描述符，指向一个表示打开文件的OpenTable
OpenTable包含文件的打开模式、一个指向内存中文件INODE的指针和读/写文件当前字节偏移量
- 计算逻辑块编号1bk
- 通过INODE.i_block[ ]数组将逻辑块编号转换为物理块编号blk
Minode包含文件的内存INODE
操作内核通常会使用一组I/O缓冲区作为高速缓存
对于read(fd, buf, BLKSIZE)系统调用，要确定所需的(dev,blk)编号，然后查询I/O缓冲区高速缓存
对于write(fd, fbuf, BLKSIZE)系统调用，要确定需要的(dev,blk)编号，然后查询I/O缓冲区高速缓存
设备I/O：I/O缓冲区上的物理IO最终会仔细检查设备驱动程序，设备驱动程序由上半部分的start_io()和下半部分的磁盘中断处理程序组成

低级别文件操作

分区
- 一个块存储设备，如硬盘、U盘、SD卡等，可以分为几个逻辑单元，称为分区。分区表唯一第一个扇区的字节偏移446（0x1BE）处，成为设备的主引导记录（MBR）
格式化分区
- 为了存储文件，必须先为特定的文件系统准备好分区，该操作成为格式化磁盘或磁盘分区。在Linux中，称为mkfs，表示Make文件系统
挂载分区
- 使用dd命令创建一个虚拟磁盘映像：
  dd if=/dev/zero of=vdisk bs=1024 count=32768
- 在vdisk上运行fdisk来创建一个分区P1：
  fdisk vdisk

EXT2文件系统简介

Linux一直使用EXT2作为默认文件系统，EXT3是EXT2的扩展，增加的主要是一个日志文件，EXT4是EXT3的扩展，增加了磁盘块的分配

EXT2文件系统数据结构
- 创建一个包含简单EXT2文件系统的虚拟盘
  - ```
     . dd if=/dev/zero of=mydisk bs=1024 count=1440
     . mke2fs -b 1024 mydisk 1440
```
- Block#0：引导块，文件系统不使用它，用于容纳从磁盘引导操作系统的引导程序
超级块
- Block#1：超级块，用于容纳关于整个文件系统的信息。
块组描述符
- Block#2：块组描述符块，EXT2将磁盘分成几个组（每组8192块），每组用一个块组描述符结构体描述
位图
- Block#8：块位图，用来表示某种项的位序列
- Block#9：索引节点位图，用来代表一个文件的数据结构
索引节点
- Block#10：索引节点，每个文件都用一个128字节（EXT4的是256字节）的独特索引节点结构体表示

第八章：使用系统调用进行文件操作

系统调用

在操作系统中，以内核模式和用户模式运行，简称Kmode和Umode。系统调用简称syscall，是一种允许进程进入Kmode以执行Umode不允许操作的机制

系统调用手册页

    man 2 stat
    man 2 open
    man 2 read

使用系统调用进行文件操作

mkdir系统调用

    #include<stdio.h>
    #include<errno.h>
    int main()
    {
        char buf[256],*s;
        int r;
        r = mkdir("newdir",0766);	//mkdir syscall
        if(r<0)
            printf("error=%d : %s\n",errno,strerror(errno));
        r = chdir("newdir");	//cd into newdir
        s = getcwd(buf,256);	//get CWD string int buf[]
        printf("CWD = %s\n",s);
    }

常用的系统调用

open：打开一个文件进行读、写、追加
- int open(char *file, int flags, int mode);
close：关闭打开的文件描述符
- int close(int fd);
read：读取打开的文件描述符
- int read(int fd, char buf[], int count);
write：写入打开的文件描述符
- int write(int fd, char buf[], int count);
dup：将文件描述符复制到可用的最小描述符编号中
- int dup(int oldfd);
dup2：将oldfd复制到newfd中，如果文件链接数为0，则删除文件
- int dup2(int oldfd, int newfd);
link：将新文件硬链接到旧文件
- int link(char *oldPath, char *newPath);
unlink：取消某个文件的链接；如果文件链接数为0，则删除文件
- int unlink(char *pathname);
symlink：创建一个符号链接
- int symlink(char *target, char *newpath);
readlink：读取符号链接文件的内容
- int readlink(char *path, char *buf, int bufsize);
umask：设置文件创建掩码；文件权限为(mask & ~umask)
- int umask(int umask);
mknod：创建特殊文件
- int mknod(char *path,int mode,int device)

链接文件

硬链接文件
- ln oldpath newpath
- 对应系统调用：link(char *oldpath,char *newpath)
- 减少文件链接数：unlink(char *pathname)
符号链接文件
- ln -s oldpath newpath
- 创建符号链接或软链接
  - symlink(char *oldpath,char *newpath)

stat系统调用

stat/lstat/fstat系统调用可将一个文件的信息返回。

文件状态
stat结构体
- st_size使用字节表示的文件大小
- st_block值是使用512字节表示的文件大小
stat与文件索引节点
- 每个索引节点在存储设备上都有唯一的索引节点编号（ino）。每个设备都由一对设备号标识，例如0x0302表示/dev/hda2等
文件类型和权限
- 只有st_mode字段需要进行说明：
  16位，前4位是文件类型，接下来的3位表示文件的特殊用法，其余9位是文件保护权限位。
- st_mode：第一个字母表示文件类型，后面9个字符基于权限位，如果位是1，每个字符打印为r|w|x；如果位是0，则打印-。x位表示是否允许访问目录。
opendir-readdir函数
- 目录也是一个文件
- 具体实现：

               struct dirent
               {
　　                  long d_ino; /* inode number 索引节点号 */  
　　                  off_t d_off; /* offset to this dirent 在目录文件中的偏移 */  
　　                  unsigned short d_reclen; /* length of this d_name 文件名长 */  
　　                  unsigned char d_type; /* the type of d_name 文件类型 */  
　　                  char d_name [NAME_MAX+1]; /* file name (null-terminated) 文件名，最长255字符 */
               }