개발하는데 다 이유가 있겠지

Chapter 10 시스템 수준 입출력

입출력(I/O)은 메인 메모리와 디스크 드라이브, 터미널, 네트워크 같은 외부 장치들 간에 데이터를 복사하는 작업이다.

입력 연산은 데이터를 입출력 장치에서 메인 메모리로 데이터를 복사하고, 출력 연산은 데이터를 메모리에서 디바이스로 복사한다.

리눅스는 Unix I/O 모델에 기초해서 응용 프로그램이 파일을 open, close, read, write할 수 있도록 하는 적은 수의 시스템 수준 함수를 제공한다. 그리고 I/O 재지정을 수행할 수 있게 해준다.

리눅스의 읽기와 쓰기 연산은 응용 프로그램이 예상하고 정확히 처리해야 하는 짧은 카운트가 발생할 수 있다.

Unix I/O 함수들을 직접 호출하는 대신, 응용 프로그램은 RIO 패키지를 사용해야 한다.

RIO 패키지는 모든 요청한 데이터가 전송되었을 때까지 읽기와 쓰기 연산을 반복 수행해서 자동으로 짧은 카운트를 처리한다.

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10.1 Unix I/O

리눅스에서 파일은 연속된 m개의 바이트다. (B0, B1, ..., Bk, ..., Bm-1)

네트워크, 디스크, 터미널 같은 모든 I/O 디바이스들은 파일로 모델링되며, 모든 입력과 출력은 해당 파일을 읽거나 쓰는 형식으로 수행된다.

1. 파일 열기: 응용 프로그램은 I/O 디바이스에 접근하겠다는 의도를 해당 파일을 열겠다고 커널에 요청하는 방법으로 알린다. 커널은 식별자(descriptor)라고 하는 작은 비음수를 리턴하며, 이것을 이후의 파일에 관한 모든 연산에서 이 파일을 나타낸다.

커널은 열린 파일에 관한 모든 정보를 추적한다. 응용 프로그램은 식별자만을 추적한다.

리눅스 쉘이 만든 각 프로세스는 세 개의 열린 파일을 가지고 동작한다: 표준 입력(식별자 0), 표준 출력(식별자 1), 표준 에러(식별자 2)
헤더 파일 <unistd.h>는 상수 STDIN_FILENO, STDOUT_FILENO 및 STDERR_FILENO를 정의하고 있으며, 이들은 명시적인 식별자 값들 대신에 사용될 수 있다.

1. 현재 파일의 위치 변경: 커널은 파일을 열 때마다 파일 위치 k를 관리하며, 이것은 처음에는 0이다. 파일 위치는 파일의 시작 부분에서부터의 바이트 오프셋이다. 응용 프로그램은 seek 연산을 수행해서 현재의 파일 위치를 명시적으로 설정할 수 있다.
2. 파일 읽기와 쓰기: 읽기 연산은 현재 파일 위치 k에서 시작해서 n > 0 바이트를 파일에서 메모리로 복사하고, k를 n 증가시킨다. 크기가 m바이트인 파일이 주어졌을 때, k >= m인 읽기 연산을 수행하면 end-of-file EOF라고 알려진 조건이 발생한다.

마찬가지로, 쓰기 연산은 현재 파일 위치 k에서 시작해서 n > 0 바이트를 메모리에서 파일로 복사하고, k를 갱신한다.

1. 파일 닫기: 응용 프로그램이 파일 접근을 끝마치면, 커널에 파일을 닫아줄 것을 요청한다. 커널은 파일을 열었을 때 만든 자료구조들을 반환하는 것으로 대응하며, 식별자를 가용 식별자 풀로 복원한다. 프로세스가 어떤 이유에서든 종료할 때, 커널은 모든 열려 있는 파일들을 닫고, 이들의 메모리 자원을 반환한다.

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10.2 파일

각각의 리눅스 파일은 시스템에서의 역할을 나타내는 타입을 가진다.

1. 일반 파일: 일반 파일은 임의의 데이터를 포함한다.

리눅스 텍스트 파일은 텍스트 라인들로 구성되며, 각각의 라인은 새 줄 문자('\n')로 종료된다. 새 줄 문자는 아스키의 줄 채우기 문자(LF)와 같으며, 숫자 값 0x0a를 갖는다.

1. 디렉토리: 디렉토리는 링크들의 배열로 구성되며, 각각의 링크는 파일 이름을 파일로 대응시키며, 이 이름은 또 다른 디렉토리일 수도 있다. 각각의 디렉토리는 최소 두 개의 항목을 포함한다. .은 자신의 디렉토리로의 링크이고, ..은 디렉토리 계층구조에서 부모 디렉토리로의 링크다.

mkdir 명령으로 디렉토리를 만들 수 있고, ls 명령으로 디렉토리의 내용을 볼 수 있으며, rmdir 명령으로 디렉토리를 삭제할 수 있다.

1. 소켓: 소켓은 네트워크 상의 다른 프로세스와 통신하기 위해 사용되는 파일이다.

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10.3 파일 열기와 닫기(Open, Close)

/* 파일 열기와 닫기 */
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

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

open 함수는 filename을 파일 식별자로 변환하고 식별자 번호를 리턴한다. 리턴된 식별자는 항상 프로세스 내에서 현재 열려 있지 않은 가장 작은 식별자이다.

flags 인자는 어떻게 프로세스가 파일에 접근하는지를 나타낸다.

1. O_RDONLY: Reading only
2. O_WRONLY: Writing only
3. O_RDWR: Reading and writing

mode 인자는 새 파일들의 접근 권한 비트들을 명시한다.

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10.4 파일 읽기와 쓰기(Read, Write)

응용 프로그램은 read와 write 함수를 호출해서 읽기와 쓰기를 수행한다.

/* 파일 읽기와 쓰기 */
#include <unistd.h>

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t n);

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t n);

read 함수는 식별자 fd의 현재 파일 위치에서 최대 n바이트를 메모리 위치 buf로 복사한다. 리턴 값 -1은 에러를, 0은 EOF를 나타낸다. 그렇지 않으면, 리턴 값은 실제로 전송한 바이트 수를 나타낸다.

write 함수는 메모리 위치 buf에서 식별자 fd의 현재 파일 위치로 최대 n바이트를 복사한다.

 

size_t와 ssize_t의 차이는 무엇인가?

read 함수는 size_t 입력 인자를 가지며, ssize_t를 리턴 값으로 가진다.

x86-64에서 size_t는 unsigned long으로 정의되고, ssize_t(signed size)는 long으로 정의된다.

read 함수는 비부호형 크기 대신에 부호형 크기를 리턴하는데, 그 이유는 에러 발생 시에 -1을 리턴해야 하기 때문이다.

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10.5 RIO패키지를 이용한 안정적인 읽기와 쓰기

RIO(Robust I/O) I/O 패키지는 짧은 카운트를 자동으로 처리한다. RIO 패키지는 짧은 카운트가 발생할 수 있는 네트워크 프로그램 같은 응용에서 편리하고, 안정적이고 효율적인 I/O를 제공한다.

1. 버퍼 없는 입력 및 출력 함수: 이 함수들은 메모리와 파일 사이에 응용 수준의 버퍼링 없이 직접 데이터를 전송한다. 이들은 특히 네트워크에서 바이너리 데이터를 읽고 쓸 때 유용한다.
2. 버퍼를 사용하는 입력 함수: 이 함수들은 텍스트 라인들과 내용이 응용 수준 버퍼에 캐시되어 있는 파일의 바이너리 데이터를 효율적으로 읽도록 해준다.

 

10.5.1 RIO 버퍼 없는 입력 및 출력 함수

응용이는 rio_readn과 rio_writen 함수를 호출해서 메모리와 파일 간에 직접 데이터를 전송할 수 있다.

/* RIO 버퍼 없는 입력 및 출력 함수 */
#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);

rio_readn 함수는 식별자 fd의 현재 파일 위치에서 메모리 위치 usrbuf로 최대 n바이트를 전송한다. rio_readn 함수는 EOF를 만나면 짧은 카운트만을 리턴한다.

rio_writen 함수는 usrbuf에서 식별자 fd로 n바이트를 전송한다. rio_writen 함수는 절대로 짧은 카운트를 리턴하지 않는다.

 

10.5.2 RIO 버퍼를 통한 입력 함수

어떤 텍스트 파일 내 텍스트 라인의 수를 세는 프로그램을 작성하는 경우 텍스트 라인 전체를 내부 읽기 버퍼에서 복사하는 래퍼 함수(rio_readlineb)를 호출하는 것으로, 이것은 버퍼가 비워지게 될 때마다 버퍼를 다시 채우기 위해 자동으로 read를 호출한다.

/* RIO 버퍼를 통한 입력 함수 */
#include "csapp.h"

void rio_readinitb(rio_t *rp, int fd);

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

rio_readinitb 함수는 식별자 fd를 주소 rp에 위치한 rio_t 타입의 읽기 버퍼와 연결한다.

rio_readinitb 함수는 한 개의 빈 버퍼를 설정하고, 이 버퍼와 한 개의 오픈한 파일 식별자를 연결한다.

rio_readlineb 함수는 다음 텍스트 줄을 파일 rp(종료 새 줄 문자를 포함해서)에서 읽고, 이것을 메모리 위치 usrbuf로 복사하고, 텍스트 라인을 NULL 문자로 종료시킨다.

readline은 버퍼를 제공하지만, readn은 그렇지 않기 때문에 이 두 함수는 같은 식별자에서 함께 사용될 수 없다.

 

rio_t 구조체

/* rio_t 구조체 */
#define RIO_BUFSIZE 8192

typedef struct {
    /* Descriptor for this internal buf */
    int rio_fd;
    /* Unread bytes in internal buf */
    int rio_cnt;
    /* Next unread byte in internal buf */
    char *rio_bufptr;
    /* Internal buffer */
    char *rio_buf[RIO_BUFSIZE];
} rio_t;

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10.6 파일 메타데이터 읽기

응용 프로그램은 파일에 관한 정보를 stat과 fstat 함수를 호출해서 가져올 수 있다.

1. S_ISREG(m): Is this a regular file?
2. S_ISDIR(m): Is this a directory file?
3. S_ISSOCK(m): Is this a network socket?

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10.9 I/O 재지정

리눅스 쉘은 표준 입력 및 출력을 디스크 파일과 연결할 수 있도록 해주는 I/O 재지정 연산자를 제공한다.

/* dup2 함수 */
#include <unistd.h>

int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2 함수는 식별자 테이블 엔트리의 이전 내용을 덮어써서 식별자 테이블 엔트리 oldfd를 식별자 테이블 엔트리 newfd로 복사한다.

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10.10 표준 I/O

/* 표준 I/O */
#include <stdio.h>

/* Standard input (descriptor 0) */
extern FILE *stdin;
/* Standard output (descriptor 1) */
extern FILE *stdout;
/* Standard error (descriptor 2) */
extern FILE *stderr;