趣谈Linux操作系统学习笔记：第二十七讲

一、文件系统的功能规划

1、引子

咱们花了这么长的时间，规划了会议室管理系统，这样多个项目执行的时候，隔离性可以得到保证。

但是，会议室里面被回收，会议室里面的资料就丢失了。有一些资料我们希望项目结束也能继续保存，

这就需要一个和项目运行生命周期无关的地方，可以永久保存，并且空间也要比会议室大的多。

2、图书馆和文件系统的故事

3、规划文件系统需要考虑的第一点

4、规划文件系统需要考虑的第二点

5、规划文件系统需要考虑的第三点

6、规划文件系统需要考虑的第四点

1、如何避免一定程度上的命名冲突问题

每个文件都有一个名字、这样我们访问一个文件，希望通过它的名字就可以找到

文件名就是一个普通的文本、当然文件名会经常冲突、不同用户取想用的名字的情况还是会经常出现的

如图所示，不同的用户的文件放在不同的目录下，虽然很多文件都叫“文件 1”，只要在不同的目录下，就不会有问题

7、规划文件系统需要考虑的第五点

二、文件系统的相关命令

1、首先是格式化

也即将一块盘使用命令组织成一定格式的文件系统的过程。咱们买个硬盘或者 U盘，经常说要先格式化，才能放文件，说的就是这个。

2、Linux下查看没有格式化的应硬盘信息

# fdisk -l

Disk /dev/vda: 21.5 GB, 21474836480 bytes, 41943040 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disk label type: dos
Disk identifier: 0x000a4c75

   Device Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/vda1   *        2048    41943006    20970479+  83  Linux

Disk /dev/vdc: 107.4 GB, 107374182400 bytes, 209715200 sectors
Units = sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes

3、对磁盘进行格式化

mkfs.ext4 /dev/vdc
fdisk /dev/vdc

4、挂在到目录

mount /dev/vdc1 / 根目录 / 用户 A 目录 / 目录 1

格式化后的硬盘，需要挂在到某个目录下面，才能作为普通的文件系统进行访问。

5、卸载挂载

umount / 根目录 / 用户 A 目录 / 目录 1

三、文件系统的相关系统调用

看完了命令行，我们来看一下，如何使用系统调用在操作文件？我们先来看一个完整的例子。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char *argv[])
{

  int fd = -1;
  int ret = 1;
  int buffer = 1024;
  int num = 0;

  if((fd=open("./test", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC))==-1)
  {
    printf("Open Error\n");
    exit(1);
  }

  ret = write(fd, &buffer, sizeof(int));
  if( ret < 0)
  {
    printf("write Error\n");
    exit(1);
  }
  printf("write %d byte(s)\n",ret);

  lseek(fd, 0L, SEEK_SET);
  ret= read(fd, &num, sizeof(int));
  if(ret==-1)
  {
    printf("read Error\n");
    exit(1);
  }
  printf("read %d byte(s)，the number is %d\n", ret, num);

  close(fd);

  return 0;
}

当使用系统调用open 打开一个文件时，操作系统会创建一些数据结构来表示这个被打开的文件下一节，我们就会看到这些。为了能够找到这些数据结构，在进程中，

我们会为这个打开的文件分配一个文件描述符 fd（File Descriptor）。文件描述符，就是用来区分一个进程打开的多个文件的，它的作用域就是当前进程，出了当前进程这个文件描述符就没有意义了

opne返回的fd必须记录好，我们队这个文件的所有操作都要靠这个fd,包括最后关闭文件

1、open函数

2、write函数

3、read函数

4、lseek函数

对于命令行来讲，通过 ls 可以得到文件的属性，使用代码怎么办呢？

我们下面三个函数，可以返回与打开的文件描述符相关的文件状态信息，这个信息将会写到类型为struct stat 的 buf 结构中。

int stat(const char *pathname, struct stat *statbuf);
int fstat(int fd, struct stat *statbuf);
int lstat(const char *pathname, struct stat *statbuf);

struct stat {
  dev_t     st_dev;         /* ID of device containing file */
  ino_t     st_ino;         /* Inode number */
  mode_t    st_mode;        /* File type and mode */
  nlink_t   st_nlink;       /* Number of hard links */
  uid_t     st_uid;         /* User ID of owner */
  gid_t     st_gid;         /* Group ID of owner */
  dev_t     st_rdev;        /* Device ID (if special file) */
  off_t     st_size;        /* Total size, in bytes */
  blksize_t st_blksize;     /* Block size for filesystem I/O */
  blkcnt_t  st_blocks;      /* Number of 512B blocks allocated */
  struct timespec st_atim;  /* Time of last access */
  struct timespec st_mtim;  /* Time of last modification */
  struct timespec st_ctim;  /* Time of last status change */
};

5、stat和lstat的区别

接下来我们来看，如何使用系统调用列出一个文件夹下面的文件以及文件的属性

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <dirent.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
  struct stat sb;
  DIR *dirp;
  struct dirent *direntp;
  char filename[128];
  if ((dirp = opendir("/root")) == NULL) {
    printf("Open Directory Error%s\n");
    exit(1);
  }
  while ((direntp = readdir(dirp)) != NULL){
    sprintf(filename, "/root/%s", direntp->d_name);
    if (lstat(filename, &sb) == -1)
    {
      printf("lstat Error%s\n");
      exit(1);
    }

    printf("name : %s, mode : %d, size : %d, user id : %d\n", direntp->d_name, sb.st_mode, sb.st_size, sb.st_uid);

  }
  closedir(dirp);

  return 0
}

6、opendir函数

7、readdir函数

8、closedir函数

到这里，你应该既会使用系统调用操作文件，也会使用系统调用操作目录了。下一节，我们开始来看内核如何实现的。

四、总结时刻

这一节，我们对文件系统的主要功能有了一个总体的印象，我们通过下面这张图梳理一下

1、在文件系统上，需要维护文件的严格的格式，要通过mkfs.ext4 命令来格式化为严格的格式。

2、每一个硬盘上保存的文件都要有一个索引，来维护这个文件珊国的数据块都保存在哪里

3、文件通过文件夹组织起来，可以方便用户使用

4、为了能够更快读取文件，内存里会分配一块空间最为缓存，让一些数据块放在缓存里面

5、在内核中，要有一整台的数据结构来表示打开的文件

6、在用户态，每个打开的文件都是一个文件描述符，可以通过各种文件相关的系统调用，操作这个文件描述符