第 6 章 Linux文件系統(tǒng)

第6章文件系統(tǒng)內(nèi)筒提要Linux文件系統(tǒng)概述文件的基本操作文件屬性操作目錄操作文件系統(tǒng)操作標準I/O函數(shù)庫6.1Linux文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)概述

文件系統(tǒng)將文件作為用戶存儲數(shù)據(jù)的基本單位，文件可視作由若干字節(jié)構(gòu)成的字節(jié)流，并將字節(jié)流以文件名的形式加以標識，為了便于管理，引入目錄，將文件以層次結(jié)構(gòu)分類組織；，目錄可看做一種特殊類型的文件，其內(nèi)容由若干目錄項組成，目錄項建立文件名與i節(jié)點的映射關(guān)系。

Linux系統(tǒng)支持多種類型的文件系統(tǒng)，為了封裝特定文件系統(tǒng)的特性，Linux內(nèi)核將各種文件系統(tǒng)統(tǒng)一在虛擬文件系統(tǒng)的框架下。文件系統(tǒng)架構(gòu)頁高速緩存(pagecache)硬件設(shè)備系統(tǒng)調(diào)用接口層虛擬文件系統(tǒng)(VFS)字符設(shè)備驅(qū)動通用塊設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動ext2fatnfsminix網(wǎng)絡(luò)協(xié)議I/O調(diào)度層底層塊設(shè)備驅(qū)動1底層塊設(shè)備驅(qū)動n底層塊設(shè)備驅(qū)動2openreadwriteclosestatlseek虛擬文件系統(tǒng)VFS

虛擬文件系統(tǒng)(VFS)是一種基于內(nèi)存的抽象文件系統(tǒng)，它提供了一種將各種真實文件系統(tǒng)粘結(jié)在一起的框架，同樣由超級塊、i節(jié)點和目錄項等對象組成，并分別為它們定義了一組抽象的操作接口。從而隔離了具體文件系統(tǒng)的特性，為上層應(yīng)用提供了一致的編程接口。

Linux內(nèi)核啟動時將所需的文件系統(tǒng)通過VFS建立一顆目錄樹，根文件系統(tǒng)作為其主干，其他文件系統(tǒng)掛載至相應(yīng)的分支。文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

超級塊是文件系統(tǒng)的組織者和管理者，負責對i節(jié)點表和數(shù)據(jù)區(qū)等對象的管理，i節(jié)點存儲文件除名字外的所有信息，其中包括文件內(nèi)容在數(shù)據(jù)區(qū)的分布，邏輯塊是數(shù)據(jù)區(qū)的基本存儲單位，目錄是一種特殊文件，其內(nèi)容存儲文件的入口信息。文件系統(tǒng)引導(dǎo)塊超級快數(shù)據(jù)塊i-節(jié)點表數(shù)據(jù)區(qū)...01678910111213n-2n-1n14文件/目錄大小創(chuàng)建日期修訂日期訪問日期歸屬數(shù)據(jù)分布i-節(jié)點247.520..610test611demo.c613demo.o620demostruct

dirent{

ino_t

d_ino;chard_name[NAME_MAX+1];}i-節(jié)點號文件名目錄項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)塊11的內(nèi)容分類API功能描述文件基本I/O操作open/close/unlink打開/創(chuàng)建/關(guān)閉/刪除文read/write讀/寫文件readv/writev分散輸入/集中輸出pread/pwrite基于特定偏移量的讀/寫lseek定位讀寫操作的位置truncate文件截斷dup/dup2復(fù)制文件描述符文件屬性操作Stat/fstat/lstat獲取文件的屬性信息chmod設(shè)置文件的權(quán)限chown設(shè)置文件的屬主/屬組fcntl設(shè)置文件的操作目錄操作mkdir/rmdir創(chuàng)建/刪除目錄chroot/chdir改變進程的根目錄和工作目錄opendir打開目錄readdir讀目錄closedir關(guān)閉目錄nftw遍歷目錄樹文件系統(tǒng)操作mount/umount掛載/卸載文件系統(tǒng)statvfs獲取文件系統(tǒng)的相關(guān)信息fsync/syncfs同步文件/文件系統(tǒng)標準I/O庫fopen/fclose打開/關(guān)閉文件fread/fwrite讀/寫文件應(yīng)用編程接口6.2文件的基本操作內(nèi)容提要基本I/O操作分散輸入和集中輸出基于特定偏移量的I/O操作設(shè)置偏移量文件截斷

I/O重定向基本I/O操作

讀寫文件時，需將數(shù)據(jù)在文件中的位置(偏移量)換算成數(shù)據(jù)在設(shè)備中的邏輯塊號，該過程需借助i節(jié)點，因此，在讀寫文件前，應(yīng)根據(jù)文件的路徑名找到對應(yīng)的i節(jié)點，這正是打開文件操作的任務(wù)。為了提高磁盤I/O性能，系統(tǒng)為每個打開的文件構(gòu)建內(nèi)核緩沖區(qū)，讀操作首先搜索該緩沖區(qū)，在未命中時才真正向設(shè)備發(fā)起讀請求，寫操作時，只需將數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，僅在必要時，才真正將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備。內(nèi)核為每個打開的文件分配一個偏移量指針，指向當前讀寫位置，文建剛打開時，其值為0，隨著讀寫操作的進行，指針向后作相應(yīng)移動，必要時，可調(diào)整至所需位置。打開/關(guān)閉/刪除操作頭文件 #include<sys/types.h> #include<sys/stat.h> #include<fcntl.h>函數(shù)原型 intopen(constchar*pathname,intflags); intopen(constchar*pathname,intflags,mode_tmode); intclose(intfd); intunlink(constchar*pathname);功能 打開/創(chuàng)建/關(guān)閉/刪除文件。參數(shù) pathname:文件的路徑名。 flags:文件的操作模式。 mode:新建文件的權(quán)限分配。 fd:文件描述符。返回值 成功返回文件描述符，否則返回-1。打開文件inode

file…filesfs...

task_struct…filesfs...

task_struct進程1進程2file打開的文件描述i節(jié)點012012標準輸入標準輸出標準錯誤…f_dentryf_posf_op...…f_dentryf_posf_op...…i_sbi_op…d_named_inoded_named_inoded_named_inoded_named_inoded_named_inoded_named_inodedentry文件描述符打開的文件描述打開文件(續(xù))

每個進程均有一個文件描述符表，用于記錄打開的文件，內(nèi)核為每個打開的文件創(chuàng)建一個文件描述，用于記錄打開文件的狀態(tài)，其地址記錄在文件描述符表的某個單元中，單元的下標便是打開文件操作的返回值。一個文件描述可能會被多個進程或一個進程的多個文件描述符引用，例如，創(chuàng)建的子進程，子進程會繼承父進程的文件描述符表，復(fù)制的文件描述符會共享文件描述。若進程源自登錄shell，其文件描述符表的前三個單元通常處于打開狀態(tài)，它們依次對應(yīng)標準輸入、標準輸出和標準錯誤輸出。關(guān)閉文件

當關(guān)閉文件時，對應(yīng)文件描述的引用次數(shù)減1，當引用次數(shù)為0時，對應(yīng)的文件描述被內(nèi)核回收，若此時內(nèi)核緩沖區(qū)中尚有未回寫的數(shù)據(jù)，內(nèi)核回將數(shù)據(jù)同步至設(shè)備。只有當打開文件上的所有引用全部關(guān)閉時，文件才能被刪除。

讀/寫文件頭文件

#include<unistd.h>函數(shù)原型

ssize_t

read(int

fd,void*buf,size_tcount);

ssize_t

write(int

fd,constvoid*buf,size_tcount);功能 讀/寫文件。參數(shù)

fd:文件描述符。

buf:緩沖區(qū)地址。

count:讀/寫字節(jié)數(shù)。返回值 成功，返回讀/寫的字節(jié)數(shù)，錯誤，返回-1。讀/寫文件(續(xù))

讀寫文件時，根據(jù)文件描述符可定位關(guān)聯(lián)的文件描述，由于文件描述存儲了對應(yīng)i節(jié)點的地址，可進一步找到對應(yīng)的i節(jié)點，利用i節(jié)點中數(shù)據(jù)的分布信息，結(jié)合當前讀寫的偏移量，可計算出需要讀寫數(shù)據(jù)在設(shè)備上的位置，最終發(fā)起讀寫請求，真正完成數(shù)據(jù)的讀寫。實例分析

int

fds=open(argv[1],O_RDONLY);

int

fdt=open(argv[2],O_WRONLY|O_CREAT,0666);

ssize_t

len; while((len=read(fds,buf,BUFSIZ))>0)

write(fdt,buf,len);

close(fds);

close(fdt);分散輸入和集中輸出頭文件

#include<sys/uio.h>函數(shù)原型

ssize_t

readv(int

fd,conststruct

iovec*iov,int

iovcnt);

ssize_t

writev(int

fd,conststruct

iovec*iov,int

iovcnt);功能 數(shù)據(jù)的分散讀出/集中寫入。參數(shù)

fd:文件描述符。

iovec:緩存向量。

iovcnt:緩存的數(shù)量。返回值 成功，返回讀寫的字節(jié)數(shù)，失敗，返回-1。當保存讀寫數(shù)據(jù)的緩存地址不連續(xù)時，可使用分散輸入和集中輸出面向特定偏移量的讀寫操作頭文件

#include<unistd.h>函數(shù)原型

ssize_t

pread(int

fd,void*buf,size_tcount,off_toffset);

ssize_t

pwrite(int

fd,constvoid*buf,size_tcount,off_toffset);功能 基于特定偏移量的讀/寫文件。參數(shù)

fd:文件描述符。

buf:緩沖區(qū)地址。

count:字節(jié)數(shù)。

offset：偏移量。返回值 成功，返回讀寫的字節(jié)數(shù)，失敗，返回-1。 可避免對個進程同時競爭文件偏移量，適用于多個進程/線程同時存取文件的不同區(qū)域。設(shè)置當前偏移量頭文件

#include<sys/types.h> #include<unistd.h>函數(shù)原型

off_t

lseek(int

fd,off_toffset,intwhence);功能 設(shè)置文件的當前偏移量。參數(shù)

fd:文件描述符。

offset:偏移量。

whence:參照坐標。返回值 成功，返回距文件頭的字節(jié)數(shù)，失敗，返回-1。

文件截斷

文件寫操作時，設(shè)備上存儲數(shù)據(jù)的邏輯塊，會依次映射至文件的線性空間，邏輯塊時文件存儲數(shù)據(jù)的最小單位，通常文件的最后一個邏輯塊會有剩余，從而造成一定程度的浪費。若寫入文件的字節(jié)不連續(xù)，則未寫入部分會形成空隙，若空隙中存在未映射的邏輯塊，則未映射部分形成空洞。文件截斷和重置偏移量均有可能產(chǎn)生空隙。文件截斷操作頭文件

#include<unistd.h> #include<sys/types.h>函數(shù)原型

int

truncate(constchar*path,off_tlength);

int

ftruncate(int

fd,off_tlength);功能 文件截斷。參數(shù)

path：文件路徑。

fd:文件描述符。

length:文件長度。返回值 成功，返回0，失敗，返回-1。

文件空襲...文件空洞(2個邏輯塊)文件空隙(10.5k)扇區(qū)(512字節(jié))文件大小(13.5k)映射映射邏輯塊(4k)磁盤空間文件(字節(jié)流)/O重定向shell在加載可執(zhí)行文件時，通過創(chuàng)建子進程，在子進程中加載可執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)命令的運行。

I/O重定向可通過在子進程加載可執(zhí)行文件前，改變子進程的運行環(huán)境，修改標準輸入輸出所指的文件描述。這可通過復(fù)制文件描述副和close-open來實現(xiàn)。復(fù)制文件描述符頭文件

#include<unistd.h>函數(shù)原型

int

dup(int

oldfd);

intdup2(intoldfd,int

newfd);功能 復(fù)制文件描述符。參數(shù)

oldfd:原文件描述符。

newfd:新文件描述符。返回值 成功返回副本的文件描述符，失敗返回-1。實例分析int

main(int

argc,char*argv[]){ if(argc!=2){

printf("Usage:%sfilename\n",argv[0]); exit(1); }

int

fd=open(argv[1],O_WRONLY|O_CREAT,0644);

intfd1=dup2(fd,1);

printf("hellodup2:%d\n",fd1);

write(fd,"endofprogram\n",15); return0;}6.3文件屬性操作內(nèi)容提要文件屬性概述獲得文件屬性修改文件訪問權(quán)限改變文件的歸屬設(shè)置文件行為屬性文件屬性概述structstat{

dev_t

st_dev; //文件的設(shè)備編號

ino_t

st_ino; //i節(jié)點號

mode_t

st_mode; //文件的類型和存取權(quán)限

nlink_t

st_nlink; //硬鏈接數(shù)量，即引用次數(shù)

uid_t

st_uid; //屬主ID

gid_t

st_gid; //屬組ID

dev_t

st_rdev; //設(shè)備類型

off_t

st_off; //文件字節(jié)數(shù)

unsignedlongst_blksize; //塊大小

unsignedlongst_blocks; //塊數(shù)，一塊大小為512字節(jié)

time_t

st_atime; //最后一次訪問時間

time_t

st_mtime; //最后一次修改時間

time_t

st_ctime; //最后一次改變時間(指屬性)};0121415文件類型其他用戶屬組屬主擴展權(quán)限i節(jié)點存儲文件屬性，其結(jié)構(gòu)和內(nèi)容與文件系統(tǒng)有關(guān)，為了隔離文件系統(tǒng)特性，Linux系統(tǒng)定義類型為stat的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并配合stat核心函數(shù)，降獲取的文件屬性存儲于stat類型的實例。獲取文件屬性頭文件

#include<sys/stat.h> #include<unistd.h>函數(shù)原型

int

stat(constchar*pathname,structstat*buf);

int

fstat(int

fd,structstat*buf);

int

lstat(constchar*pathname,structstat*buf);功能 獲取文件的狀態(tài)屬性。參數(shù)

pathname:文件的路徑名。

filedes:文件描述符。

buf:指向文件屬性地址。返回值 成功，返回0，失敗，返回-1。實例分析intret=stat(argv[1],&sb);if(ret==-1)err(1,"%s",argv[1]);printf("Filetype:");switch(sb.st_mode&S_IFMT){ caseS_IFBLK:printf("blockdevice\n");break; caseS_IFCHR:printf("characterdevice\n");break; caseS_IFDIR:printf("directory\n");break; caseS_IFIFO:printf("FIFO/pipe\n");break; caseS_IFLNK:printf("symlink\n");break; caseS_IFREG:printf("regularfile\n");break; caseS_IFSOCK:printf("socket\n");break;

default:printf("unknown?\n");break;}修改文件訪問權(quán)限頭文件

#include<sys/type.h> #include<sys/stat.h>函數(shù)原型

int

chmod(constchar*pathname,mode_tmode);

int

fchmod(int

fd,mode_tmode);功能 設(shè)置文件的權(quán)限。參數(shù)

pathname:文件的路徑名。

fd:文件描述符。

mode:權(quán)限。返回值 成功，返回0，失敗，返回-1。實例分析#include<stdlib.h>int

main(int

argc,char*argv[]){ if(argc!=3){

fprintf(stderr,"Usage:%sfilebane

mode(octal)\n",argv[0]); exit(1); }

mode_tmode=strtol(argv[2],NULL,8); chmod(argv[1],mode); exit(0);}改變文件的歸屬頭文件

#include<unistd.h>函數(shù)原型

int

chown(constchar*pathname,uid_towner,gid_tgroup);

int

fchown(int

fd,uid_towner,gid_tgroup);

int

lchown(constchar*pathname,uid_towner,gid_tgroup);功能 設(shè)置文件的歸屬。參數(shù)

path:文件的路徑名。

owner:新屬主ID。

group:新屬組ID。返回值 成功，返回0，失敗，返回-1。設(shè)置文件行為屬性頭文件

#include<unistd.h> #include<fcntl.h>函數(shù)原型

int

fcntl(int

fd,int

cmd,longarg)功能 設(shè)置文件的行為屬性。參數(shù)

fd:文件描述符。

cmd:操作命令。

arg:傳遞的參數(shù)。返回值 成功，返回值依賴于具體的操作，失敗，返回-1。設(shè)置文件行為屬性(續(xù))fcntl函數(shù)中參數(shù)cmd的定義參數(shù)cmd

含義F_GETFL/F_SETFL獲取/設(shè)置文件狀態(tài)F_GETLK/F_SETLK/F_SETLKW獲得/設(shè)置文件鎖F_DUPFD復(fù)制尚未使用的最小文件描述符F_GETOWN_EX/,F_SETOWN_EX獲取/設(shè)置I/O信號接收的目標F_GETSIG/F_SETSIG獲取/設(shè)置異步I/O信號6.4目錄操作目錄概述

目錄屬于一種特殊的文件，目的是為了有效組織和管理文件系統(tǒng)，將文件系統(tǒng)構(gòu)建成一棵基于層次關(guān)系的目錄樹。目錄由若干目錄項組成，目錄項中記錄文件的名稱及其對應(yīng)的i節(jié)點編號，建立起文件名和i節(jié)點的映射關(guān)系。由于目錄文件內(nèi)容的布局與文件系統(tǒng)有關(guān)，因此，無法象普通文件一樣通過read函數(shù)讀取，為此，Linux內(nèi)核提供了getdents系統(tǒng)調(diào)用，為了簡化操作，glibc提供了相應(yīng)的庫函數(shù)。創(chuàng)建/刪除目錄mkdir/rmdir函數(shù)頭文件

#include<sys/types.h> #include<stat.h>函數(shù)原型

int

mkdir(constchar*pathname,mode_tmode);

int

rmdir(constchar*pathname);功能 創(chuàng)建/刪除目錄。參數(shù)

pathname:目錄的路徑名。

mode:新建目錄權(quán)限。返回值 成功，返回0，失敗，返回-1。根目錄和工作目錄1.chroot函數(shù)頭文件

#include<unistd.h>函數(shù)原型

int

chroot(constchar*path);功能 改變進程的根目錄。參數(shù)

path:路徑名。返回值 成功，返回0，失敗，返回-1。根目錄和工作目錄

2.chdir函數(shù)頭文件

#include<unistd.h>函數(shù)原型

int

chdir(constchar*path);

int

fchdir(int

fd);功能 設(shè)置進程的工作目錄。參數(shù)

path:路徑名。

fd:文件描述符。返回值 成功，返回0，失敗，返回-1。瀏覽目錄1．opendir函數(shù)頭文件

#include<sys/types.h> #include<dirent.h>函數(shù)原型

DIR*opendir(constchar*pathname); DIR*fdopendir(int

fd);功能 打開目錄。參數(shù)

pathname:目錄路徑名。

fd:文件描述符。返回值 成功返回目錄流，失敗，返回NULL。瀏覽目錄頭文件

#include<sys/types.h> #include<dirent.h>函數(shù)原型

struct

dirent*readdir(DIR*dirp);功能 讀目錄。參數(shù)

dirp:打開的目錄流。返回值 成功，返回下一個目錄項，失敗，返回NULL。struct

dirent

{longd_ino; //i節(jié)點號

chard_name[256]; //文件名

off_t

d_off; //在目錄流中的偏移量

unsignedshortd_reclen; //文件名長度}瀏覽目錄3．closedir函數(shù)頭文件

#include<sys/types.h> #include<dirent.h>函數(shù)原型

int

closedir(DIR*dirp);功能 關(guān)閉打開的目錄。參數(shù)

dirp:打開的目錄流。返回值 成功，返回0，失敗，返回-1。實例分析int

main(int

argc,char*argv[]){DIR*dirp;

struct

dirent*direntp;if((dirp=opendir(argv[1]))==NULL){

fprintf(stderr,"errormessage:%s\n",strerror(errno));exit(1);}while((direntp=readdir(dirp))!=NULL)

printf("%s\n",direntp->d_name);closedir(dirp);exit(0);}6.5文件系統(tǒng)操作文件系統(tǒng)概述

為了使用文件系統(tǒng)，Linux內(nèi)核向用戶層提供了相應(yīng)的接口，在使用文件系統(tǒng)前，首先需通過mount函數(shù)將文件系統(tǒng)掛載至某個特定目錄，當文件系統(tǒng)不再使用時，可通過umount函數(shù)將其從掛載點卸載，期間，可通過statvfs函數(shù)，獲取文件系統(tǒng)的當前狀態(tài)；必要時，可通過syncfs函數(shù)將整個文件系統(tǒng)同步至存儲設(shè)備。掛載/卸載文件系統(tǒng)頭文件

#include<sys/mount.h>函數(shù)原型

int

mount(constchar*source,constchar*target,char*type,unsignedlongflags,void*data);

int

umount(constchar*target);功能 掛載一個文件系統(tǒng)至目標目錄。參數(shù)

source:源塊設(shè)備文件。

target:掛載點目錄。

type:文件系統(tǒng)類型。

flags:操作行為。

data:傳遞數(shù)據(jù)。返回值 陳宮，返回0，失敗，返回-1。獲取文件系統(tǒng)信息statvfs函數(shù)頭文件

#include<sys/statvfs.h>函數(shù)原型

int

statvfs(constchar*path,struct

statvfs*buf);

int

fstatvfs(int

fd,struct

statvfs*buf);功能 獲取文件系統(tǒng)的統(tǒng)計信息。參數(shù)

path:文件的路徑名。

fd:文件描述符。

buf:指向存放文件系統(tǒng)統(tǒng)計信息的地址。返回值 成功，返回0，失敗，返回-1。獲取文件系統(tǒng)信息struct

statvfs{unsignedlongf_bsize;//邏輯塊大小

unsignedlongf_frsize;//碎片大小

fsblkcnt_t

f_blocks;//碎片占用的邏輯塊數(shù)

fsblkcnt_t

f_bfree;//空閑塊數(shù)量

fsblkcnt_t

f_bavail;//用戶可用的邏輯塊數(shù)

fsfilcnt_t

f_files;//總i-節(jié)點數(shù)量

fsfilcnt_t

f_ffree;//空閑i-節(jié)點數(shù)

fsfilcnt_t

f_favail;//用戶可用的i-節(jié)點數(shù)

unsignedlongf_fsid;//文件系統(tǒng)IDunsignedlongf_flag;//mount標識

unsignedlongf_namemax;