学习笔记四

第七章、文件操作

一、文件操作级别

文件操作分为五个级别，按照从低到高的顺序排列如下。

(1) 硬件级别：硬件级别的文件操作包括：

·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。

     其中大多数是针对系统的实用程序。普通用户可能永远都不需要它们，但是它们是创建和维护系统不可缺少的工具。

(2) 操作系统内核中的文件系统函数：每个操作系统内核均可为基本文件操作提供支持。

(3) 系统调用：用户模式程序使用系统调用来访问内核函数。

(4) I/O库函数：系统调用可让用户读、写多个数据块，这些数据块只是一系列字节。

(5) 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。

(6) sh脚本：虽然比系统调用方便得多，但是必须要手动输入命令，如果使用的是GUI，必须要拖放文件图标和点击指向设备来输入，操作繁琐而且耗时。

二、文件I/O操作

    

双线上方的上半部分表示内核空间，下半部分表示进程的用户空间。该图显示了进程读/写文件流时的操作序列。控制流用标签(1)到(10)标识，说明如下。

下面的步骤(1)~(46)是用户模式下的操作，步骤(5)~(10)是内核模式下的操作。

(1) 用户模式下的程序执行操作可以打开一个读/写文件流。

(2) fopen()在用户(heap)空间中创建一个FILE结构体，包含一个文件描述符fd、一个fbuf[BLKSIZE]和一些控制变量。

(3) fread(ubuf,size,nitem,fp):将nitem个size字节读取到ubuf上，通过：

·将数据从FILE结构体的fbuf上复制到ubuf上，通过：

·如果fbuf没有更多数据，则执行(4a)。

(4) 文件中的文件系统函数：

假设非特殊文件的read(fd,fbuf[],BLKSIZE)系统调用。

(5) 在read()的系统调用中，fd是一个打开的文件描述符，它是运行进程的fd数组中的一个索引，指向一个表示打开文件的OpenTable.

(6) 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/写文件的当前字节偏移量。从OpenTable的偏移量，

·计算逻辑块编号lbk。

·通过INODE.i_block[]数组将逻辑块编号转换为物理块编号blk。

(7) Minode包含文件的内存INDOE

(8) 为提高磁盘I/O效率，操作系统内核通常会使用一组I/O缓冲区作为高速缓存，以减少物理I/O的数量。磁盘I/O缓冲区管理将在第12章中讨论。

三、低级别文件操作

1. 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。各分区均可以格式化为特定的文件系统，也可以安装在不同的操作系统上。大多数引导程序，如GRUB、LILO等，都可以配置为从不同的分区引导不同的操作系统。分区表位于第一个扇区的字节偏移446(0xlBE)处，该扇区称为设备的主引导记录。

每个拓展分区的第一个扇区是一个本地MBR。每个本地MBR在字节偏移量0X1BE处也有一个分区表，只包含两个条目。第一个条目定义了拓展分区的起始扇区和大小。第二个条目指向下一个本地MBR。所有本地MBR的扇区编号都与P4的起始扇区有关。

1. 格式化分区

fdisk只是将一个存储设备划分为多个分区.每个分区都有特定的文件系统类型，但是分区还不能使用。为了存储文件，必须先为特定的文件系统准备好分区。该操作系统习惯上称为格式化磁盘或磁盘分区。

1. 挂载分区

Man 8 losetup：显示用于系统管理的losetup实用工具命令：

(1) 用dd命令创建一个虚拟磁盘映像

(2) 在vdisk上运行fdisk来创建一个分区P1

(3) 使用以下扇区数在vdisk的分区1上创建一个循环设备

(4) 格式化/dev/loop1，它是一个EXT2文件系统

(5) 挂载循环设备

(6) 访问作为文件系统一部分的挂载设备

(7) 设备使用完毕后，将其卸载

(8) 循环设备使用完毕后，通过以下命令将其断开

四、EXT2文件系统简介

1. EXT2文件系统数据结构

在Linux下，我们可以创建一个包含简单EXT2文件系统的虚拟磁盘，如下文所示。

1. 超级快

Block#1：超级块（在硬盘分区中字节偏量为1024）B1是超级块，用于容纳关于整个文件系统的信息。下文说明了超级块结构中的一些重要字段。

1. 块组描述符

Block#2：块组描述符块(硬盘上的s_first_data_blocks-1)EXT2将磁盘块分成几个组。每个组有8192个块。每组用一个块组描述符结构体描述。

1. 位图

Block#8：块位图

Block#9：索引节点位图

1. 索引节点

Block#10：索引(开始)节点块

每个文件都用一个128字节（EXT4中的是256字节）的独特索引节点结构体表示。下面列出了主要索引节点字段。

直接块、间接块、双重间接块、三重间接块

数据块：紧跟在索引节点块后面的是文件存储块。

1. 目录条目

EXT2目录条目：目录包括dir_entry结构。

第八章、使用系统调用进行文件操作

一、系统调用

二、系统调用手册页

三、使用系统调用进行文件操作

系统调用必须由程序发出。它们的用法就像普通函数调用一样。每个系统调用都是一个库函数，它汇集系统调用函数，并最终向操作系统内核发出一个系统调用。

四、常用的系统调用

五、链接文件

1. 硬链接文件                                                                                                                                                                                                                                                                                                           硬链接：命令       ln oldpath newpath 创建从newpath到oldpath的硬链接。对应的系统调用为：link(char *oldpath, char *newpath)                                                                                                                     硬链接文件会共享文件系统中相同的文件表示数据结构（索引节点）。文件链接数会记录链接到同一索引节点的硬链接数量。硬链接仅适用于非目录文件。否则，它可能会在文件系统名称空间中创建循环，这是不允许的。相反，系统调用： unlink(char  *pathname)会减少文件的链接数。如果链接数变为0，文件会被完全删除。这就是rm(file)命令的作用。如果某个文件包含非常重要的信息，就最好创建多个链接到文件的硬链接，以防被意外删除。

软链接：命令

ln -s oldpath newpath 

创建从newpath到oldpath的软链接或符号链接。对应的系统调用是：

symlink(char *oldpath, char *newpath)

newpath是LNK类型的普通文件，包含oldpath字符串。它可作为一个绕行标志，使访问指向链接好的目标文件。与硬链接不同，软链接适用于任何文件，包括目录。

六、stat系统调用

#include <sys/ types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <unistd.h>

int stat (const char *file_name,struct stat *buf);

int fstat (int filedes,struct stat *buf) ;

int lstat(const char *file_name,struct stat *buf) ;

1. stat文件状态
2. stat结构体
3. stat与文件索引节点                                                                                                       struct ext2_inode{                                                                                                         u16 i_mode;                                                                                                           u16 i_uid;                                                                                                           u32 i_size;                                                                                                           u32 i_atime;                                                                                                           u32 i_ctime;                                                                                                           u32 i_mtime;                                                                                                           u32 i_dtime;                                                                                                           u16 i_gid;                                                                                                       u16 i_links_count;                                                                                                     u32 i_blocks;                                                                                                         u32 i_flags;                                                                                                           u32 i_reservedl;                                                                                                       u32 i_blocks[15];                                                                                                       u32 pad[7];                                                                                                           };//inode=128 bytes in ext2/3 FS; 256 bytes in ext4                                                                                 每个索引节点在存储设备上都有唯一的索引节点编号(ino)。                                     
4. 文件类型和权限
5. opendir-readdir函数
6. readlink函数                                                                                                        linux的open（）系统调用遵循符号链接。因此，无法打开符号链接文件并读取其内容。要想读取符号链接文件的内容，我们必须使用readlink系统调用，即
   int readlink（char *pathname，char buf[]，int bufsize）
   他将符号链接文件的内容复制到bufsize的buf[]中，并将实际复制的字节数返回。
7. ls程序
8. open-close-lseek系统调用
9. 打开文件和文件描述符
10. 关闭文件描述符
11. lseek文件描述符
12. write()系统调用

七、文件操作示例程序

       1.显示文件内容

       2.复制文件

       3.选择性文件复制

 八、编程项目：使用系统调用递归复制文件