IO系统-文件与目录操作

1.文件内核数据结构

一个打开的文件在内核中使用三种数据结构表示：

（1）文件描述符表

文件描述符标志

文件表项指针

（2）文件表项：

文件状态标志：读、写、追加、同步和非阻塞等状态标志

当前文件偏移量

i节点表项指针

引用计数器

（3）i节点

文件类型和对该文件的操作函数指针

当前文件长度

文件所有者

文件所在的设备、文件访问权限

指向文件数据在磁盘上所在位置的指针等。

2. 原子操作

（1）文件追加

打开文件时使用O_APPEND标志，进程对文件偏移量调整和数据追加成为原子操作。

O_APPEND

write(){    //write成为一个原子操作

1）从i节点中读取文件长度作为当前偏移量

2）往文件中写入数据

3）修改i节点中文件长度

}

内核每次对文件写之前，都将进程的当前偏移量设置为该文件的尾端，这样不再需要lseek来调整偏移量。

（2）文件创建：

对open函数的O_CREAT和O_EXCL的使用，若该文件存在，open将失败，否则创建该文件，并且使得文件是否存在的判定和创建过程成为原子操作。

3. I/O处理方式

3.1 I/O处理的五种模型

阻塞I/O模型：若所调用的I/O函数没有完成相关的功能就会使进程挂起，直到相关数据到达才会返回，如：终端、网络设备的访问。

非阻塞模型：当请求的I/O操作不能完成时，则不让进行进程休眠，而且返回一个错误。如：open、read、write访问。

I/O多路转接模型：如果请求的I/O操作阻塞，且它不是真正的阻塞I/O，而且让其中的一个函数等待，在这期间，I/O还能进行其他操作，如：select函数。

信号驱动I/O函数：在这种模式下，通过安装一个信号处理程序，系统可以自动捕获特定信号的到来，从而启动I/O。

异步I/O模型：在这种模式下，当一个描述符已准备好，可以启动I/O时，进程会通知内核，由内核进行后续处理，这种用法现在较少。

3.2 非阻塞I/O

低速系统调用时，进程可能会阻塞

非阻塞I/O确定操作（read、open、write）不阻塞，如果操作不能完成，则出错返回。

设定非阻塞的方式：1、使用open打开文件，设置O_NONBLOCK标志；2、如果一个文件已经打开，则使用fcntl修改文件状态标志。

4. 高级文件操作-文件锁

当多个用户共同使用、操作一个文件的时候，Linux通常采用的方法是给文件上锁，来避免共享资源产生竞争的状态。

文件锁按功能分为：1、共享读锁：文件描述符必须读打开；一个文件上了读锁，其他进程也可以上读锁进行读取。2、独占写锁：1、文件描述符必须写打开；一个进程上了写锁，其它进程就不能上写锁和读锁进行写操作。

文件锁按类型分为建议锁和强制性锁。建议锁要求上锁文件的进程都要检测是否有锁存在，并尊重已有的锁。强制性锁由内核和系统执行的锁。

fcntl不仅可以实施建议锁而且可以实施强制性锁。

4.1 加锁和解锁区域的注意点

该区域可以在当前文件尾端处开始或越过其尾端处开始，但是不能在文件起始位置之前开始或越过该起始位置。

如若l_len为0，则表示锁的区域从其起点（由l_start和l_whence决定）开始直至最大可能位置为止。也就是不管添写到该文件中多少数据，它都处于锁的范围。

为了锁整个文件，通常的方法是将l_start设置为0，l_whence设置为SEEK_SET，l_len设置为0。

4.2 锁的继承和释放

一个进程终止，它所建立的锁全部释放；

关闭一个文件描述符，此进程对应该文件的所有的锁都释放；

子进程不继承父进程的锁；

执行exec以后，新进程可以选择是否继承原来执行进程的锁。

5. 存储映射

存储映射是一个磁盘文件与存储空间的一个缓存相映射，对缓存数据的读写就相应的完成了文件的读写。

5.1 调用函数

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/mman.h>
 void *mmap(void *addr, size_t length, int port, int flags, int fd, off_t offset);

返回：若成功则为映射区的起始地址，若出错则为-1

功能：I/O使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓存相映射。

 int munmap(void *addr, size_t length);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：解除映射

mmap函数从缓存中获取数据，就相当于读文件中的相应字节，与其类似，将数据存入缓存，则相应字节就自动地写入文件，这样就可以在不使用read和write的情况下执行I/O。

子进程继承父进程的存储映射区。

参数：

addr：存储映射区的起始地址，通常设为0，让系统分配。

length：需要映射的字节数

offset：映射字节在文件中的偏移量

prot：PROT_READ映射区可读、PROT_WRITE映射区可写、PROT_EXEC映射区可执行、PROT_NONE：映射区不可访问

flags：MAP_FIXD返回地址必须等于addr，不推荐使用、MAP_SHARED存储操作立刻修改映射文件内容、MAP_PRIVATE存储操作导致创建映射文件的副本，并对副本读写。

6. 文件属性

struct stat是存放文件属性的结构体

 struct stat{
     mode_t st_mode;     //file type & permission
     ino_t st_ino;        //i-node number
     dev_t st_dev;        //device number(file system)
     dev_t st_rdev;        //device number for special files
     nlink_t st_nlink;    //number of links
     uid_t st_uid;        //user ID of owner
     gid_t st_gid;        //group ID of owner
     off_t st_size;        //size in bytes
     time_t st_atime;    //time of last access
     time_t st_mtime;    //time of last modification
     time_t st_ctime;    //time of last file status change
     blksize_t st_blksize;    //best I/O block size最佳块大小
     blkcnt_t st_blocks;        //number of disk blocks allocated
 };  

6.1 文件属性操作函数

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/stat.h>
 int stat(const char *pathname, struct stat *buf);
 int fstat(int fd, struct stat *buf);
 int lstat(const char *pathname, struct stat *buf);

返回：若成功返回0，若出错则为-1

功能：返回一个与pathname或fd执行的文件属性信息，存储在结构体buf中。

参数：pathname：文件路径名称；buf：struct stat结构体指针。

lstat函数类似于stat，但是当命名的文件是一个符号连接时，lstat返回该符号连接的有关信息，而不是由该符号连接引用的文件的信息。

6.2 文件类型

文件类型 判别函数

普通文件（regular file） S_ISREG()

目录文件（directory file） S_ISDIR()

块特殊文件（block special file） S_ISBLK()

字符特殊文件（character special file） S_ISCHR()

FIFO（named pipe） S_ISFIFO()

套接字（socket） S_ISSOCK()

符号链接（symbolic link） S_ISLNK()

6.3 文件权限

9种文件访问权限：

用户权限：S_IRUSR、S_IWUSR、S_IXUSR

组权限：S_IRGRP、S_IWGRP、S_IXGRP

其它权限：S_IROTH、S_IWOTH、S_IXOTH

文件权限通过按位或方式构造。

6.4 文件权限相关函数

（1）access函数 

 #include <unistd.h>
 int access(const char *pathname, int mode);

返回：成功执行返回0，若出错为-1

功能：检查是否可以对指定文件进行某种操作

参数：pathname：文件路径；

mode：文件访问权限：

R_OK：判断文件是否有读权限；

W_OK：判断文件是否有写权限；

X_OK：判断文件是否有可执行权限；

F_OK：判断文件是否存在。

（2）umask函数

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/stat.h>
 mode_t umask (mode_t mode);

返回：以前的文件模式创建屏蔽字（掩码）

功能：为进程设置文件方式创建屏蔽字，并返回以前的值

参数：mode：文件权限常量（如：S_IRGRP、S_IWGRP等）

被umask设置过的权限不能再使用在创建文件的权限上。

（3）chmod和fchmod函数

 #include <sys/stat.h>
 int chmod(const char * pathname, mode_t mode);
 int fchmod(int fd, mode_t mode);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：更改现存文件的权限。chmod函数在指定的文件上进行操作，而fchmod函数对已打开的文件进行操作。

参数：pathname：文件路径名字

mode：文件权限（按位或操作）

S_ISUID、S_ISGID、S_ISVTX

S_IRWXU、S_IRUSR、S_IWUSR、S_IXUSR

S_IRWXG、S_IRGRP、S_IWGRP、S_IXGRP

S_IRWXO、S_IROTH、S_IWOTH、S_IXOTH

想要改变一个文件的权限位，需满足条件：进程的有效用户ID必须等于文件的所有者ID或者进程具有超级用户权限。

（4）truncate和ftruncate函数

 #include <sys/types.h>
 #include <unistd.h>
 int truncate(const char * pathname, off_t length);
 int ftruncate(int fd, off_t length);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：文件截断

参数：pathname：文件路径名字；length：文件截断后的长度。

在文件尾端处截去一些数据以缩短文件。

将一个文件的长度截短为0是一个特例，用O_TRUNC标志可以做到这一点。

如果该文件以前的长度大于length，则超过length以外的数据就不再能存取。如果以前的长度短于length，则其后果与系统有关。

7. Linux文件系统结构

文件操作相关的最基本元素是：目录元素、索引节点和文件的数据本身。

目录结构（目录项）

索引节点（i节点）

文件的数据

（1）link和unlink函数

 #include <unistd.h>
 int link(const char *exitingpath, const char *newpath);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：创建一个指向现存文件连接（硬链接）

 int unlink(const char *pathname);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：删除pathname指定的硬链接，并将由pathname所引用的文件链接计数-1

硬链接创建条件：针对文件创建链接，必须是同一个分区，只有超级用户才能对目录建立链接。

文件删除条件：链接计数为0，无其它进程打开该文件。

（2）remove和rename函数

 #include <unistd.h>
 int remove(const char * pathname);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：解除对一个文件或目录的链接

 int rename(const char * oldname, const char * newname);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：文件或目录更名

对于文件，remove的功能和unlink相同

对于目录，remove的功能和rmdir相同

（3）symlink和readlink函数

 #include <unistd.h>
 int symlink(const char * actualpath, const char * sympath);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：创建一个符号链接（软链接）

 int readlink(const char * restrict_pathname, char * restrict buf, size_t bufsize);

返回：成功返回读到的字节数，出错返回-1

功能：打开该链接本身，并读该链接中的名字

符号链接创建并不要求actualpath存在，可以跨文件系统建立符号链接，软链接也可以针对目录创建。

8. 文件时间

字段	说明	例子	ls选项
st_atime	文件数据最后访问时间	Read	-u
st_mtime	文件数据最后修改时间	Write	默认
st_ctime	i节点最后更改时间	chmod、chown	-c

（1）utime函数

 #include <sys/types.h>
 #include <utime.h>
 int utime(const char * pathname, const struct utimebuf * times);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：更改文件的存取时间和修改时间

 struct utimebuf{
     time_t actime; //access time
     time_t modtime; //modification time
 };

参数times：

空指针则读取当前时间：进程的有效用户ID必须等于文件的所有者ID，或者进程对该文件具有写权限

非空取times结构体中的时间：进程有效用户ID等于该文件的所有者的ID，或者进程是超级用户进程。

utime操作会自动更新st_ctime值。

9. 目录函数

（1）mkdir和rmdir函数

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/stat.h>
 int mkdir(const char * pathname, mode_t mode);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：创建目录

 int rmdir(const char * pathname);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：删除目录

创建目录：创建一个新的空目录，.和..目录项是自动创建的。创建目录时，至少指定一个执行权限位。

目录删除条件：该目录的链接计数为2（只包含.和..）,无其它进程打开目录。

（2）opendir、readdir、rewinddir和closedir函数

 #include <sys/types.h>
 #include <dirent.h>
 DIR * opendir(const char * pathname);

返回：成功返回目录指针，出错返回NULL

功能：打开目录

 struct dirent * readdir(DIR *dp);

返回：成功返回指针，若在目录结尾或者出错返回NULL

功能：读取目录

 void rewinddir(DIR *dp);

功能：重新定位从头开始读取

 int closedir(DIR *dp);

返回：成功返回0，出错返回-1

功能：关闭目录

 struct dirent{
     ino_t d_ino； //i-node number
     char d_name[NAME_MAX+]; //null-terminated filename
 };

（3）chdir、fchdir和getcwd函数

 #include <unistd.h>
 int chdir(const char * pathname);
 int fchdir(int fd);

返回：成功返回0，出错返回01

功能：分别用pathname或fd来指定新的当前工作目录

 char *getcwd(char *buf, size_t size);

返回：成功返回buf，出错返回NULL

功能：获取当前工作目录的绝对路径名

当前工作目录是一个进程的属性，所以它只影响调用chdir的进程本身，而不影响其它进程。

问题：改变了路径是否会影响shell的当前路径？

不会影响。

10. 设备特殊文件

每个文件系统所在的存储设备都由主、次设备号表示；

major和minor宏可用来得到主、次设备号；

只有字符特殊文件和块特殊文件才有st_rdev值。