文件和目录

• 文件系统概览

目前，正在使用的UNIX文件系统有多种实现：

传统的UNIX文件系统（UFS）、读写DOS格式软盘的文件系统（PCFS）、读CD的文件系统（HSFS）。

 1、UFS文件系统

本文讨论UFS文件系统，磁盘、分区和文件系统的关系见图1。

图1 磁盘、分区和文件系统

超级块存储对应文件系统的元数据，包括文件系统的大小、块大小、以及空闲及已使用块的数量。

i节点图标识对应的i节点空间是否被使用。

块位图标识对应的块是否已被使用。

 

2、i节点和数据块的关系

i节点和数据块的关系，如图2所示。

图2  i节点和数据块的关系

从图中可看到：

• i节点包含了文件有关的所有信息：文件类型、文件访问权限位、文件长度和指向文件数据块的指针
• 如图3所示，stat结构信息基本都是从i节点中获取的，除了文件名和i节点编号

图3 stat结构

• 数据块里存储的有文件数据（数据块）和目录项（目录块），目录项包含文件名和i节点编号，i节点编号指向相应的i节点
• 图2中有两个目录项指向同一个i节点，每个i节点都有一个链接计数，其值是指向该i节点的目录项数，存储在stat结构中的st_nlink成员中
• 只有链接计数减少至0时，才可以删除文件，这也是删除一个目录项的函数被称为unlink而不是delete的原因
• 上述链接是硬链接，符号链接与硬链接不同，符号链接文件的实际内容（数据块）包含所指向的文件的名字
• 因为目录项中的i节点编号只能指向同一文件系统中的相应i节点，因此硬链接不能跨越文件系统；符号链接可以跨越文件系统
• 文件重命名的过程：文件数据内容不需移动，构造一个指向现有i节点的新目录项，并删除老的目录项

3、目录文件在文件系统的表现

在当前工作目录中新建一个目录testdir，在文件系统中的表现如图4所示。

编号2549的i节点为testdir目录的i节点，节点中的类型字段表示它是一个目录，该i节点指向的数据内容为目录块。

目录块包含了两项内容，.项和..项，.项指向当前目录i节点，..项指向父目录i节点。

编号1267的i节点为当前目录（假设为curdir）的i节点，节点中的类型字段表示它是一个目录，该i节点指向的数据内容为目录块。

目录块包含了三项内容，.项、..项、testdir项，testdir项指向刚新建的目录testdir。

图4 目录的链接计数

可以看到（假设叶目录为testdir，当前工作目录为curdir，当前工作目录父目录为fatherdir：fatherdir->curdir->testdir）：

（1）每个目录文件目录块都至少包含两项目录项，.项和..项，.项指向当前目录，..项指向父目录

（2）任何叶目录（testdir）i节点，其链接计数都是2，一个是当前目录（testdir）的.目录项，另一个是父目录（curdir）中命名它的testdir目录项

（3）任何非叶目录(curdir）i节点，其链接计数至少是3，一个是当前目录（curdir）的.目录项，另一个是父目录（fatherdir）中命名它的curdir目录项，同时每增加一个子目录（testdir），就有一个..目录项指向它。

• 硬链接

1、创建硬链接

如图2所示，任何一个文件，可以有多个目录项指向其i节点。

这种链接属于硬链接，可使用link或linkat函数创建一个指向现有文件的链接。

#include <unistd.h>

int link(const char *existingpath, const char *newpath);
int linkat(int efd, const char *existingpath, int nfd, const char *newpath, int flag);

这两个函数实现的功能：

（1)创建一个新的目录项newpath，该目录项的i节点编号指向existingpath文件的i节点

（2)existingpath文件的i节点，链接计数st_nlink加1

linkat函数的flag参数用来控制是否跟随符号链接。

注：一般不允许对目录创建硬链接，如果系统支持的话，也仅限于超级用户。

2、删除目录项

 可使用unlink函数，删除一个现有的目录项。

#include <unistd.h>

int unlink(const char *pathname);
int unlinkat(int fd, const char *pathname, int flag);

 这两个函数实现的功能：

（1）删除pathname目录项

（2）pathname目录项引用的i节点，链接计数st_nlink减1

unlink的pathname是符号链接，那么unlink删除符号链接，不跟随符号链接。这个与link函数不同。

unlinkat函数的flag参数，当AT_REMOVEDIR标志被设置时，unlinkat可以类似与rmdir一样删除目录。

remove函数也可以解除对一个文件或目录的链接。

#include <stdio.h>

int remove(const char *pathname);

对于文件，remove的功能与unlink相同；对于目录，remove的功能与rmdir相同。

注：为了解除对文件的链接，必须对包含该目录项的目录具有写和执行权限。

文件内容被删除的条件有：

（1）打开该文件的进程个数为0

（2）该文件的i节点链接计数为0

unlink的这个特性，经常被用来确保即使是在程序崩溃时，它所创建的临时文件也不会被遗留下来。

if(open("tempfile", O_RDWR) < 0)
    err_sys("open error");
if(unlink("tempfile" < 0)
    err_sys("unlink error");

• 符号链接

符号链接是对一个文件的间接指针，符号链接文件的实际内容（数据块）包含所指向的文件的名字。

与硬链接不同，硬链接文件的目录项，直接指向文件的i节点。

当使用以名字引用文件的函数时，需要了解函数是否跟随符号链接，图5是各个函数对符号链接的处理。

图5 各个函数对符号链接的处理

图5中没有列出mkdir/mkinfo/mknod/rmdir等函数，这些函数当路径名是符号链接时，都返回出错。

以文件描述符作为参数的一些函数，对符号链接的处理是由返回文件描述符的函数（通常是open）进行的。

chown函数是否跟随符号链接取决于实现，一般chown函数跟随符号链接。

 

符号链接可能在文件系统中引入循环，但这样一个循环很容易消除。这也是unlink不跟随符号链接的原因。

但是如果创建了一个构成循环的硬链接，那将很难消除，这也是link函数不允许构造指向目录的硬链接的原因。

 

可以使用函数symlink或symlinkat创建一个符号链接

#include <unistd.h>

int symlink(const char *actualpath, const char *sympath);
int symlinkat(const char *actualpath, int fd, const char *sympath);

这两个函数创建一个新的目录项sympath，这个目录项指向的i节点指向的数据块为actualpath的路径。

在创建符号链接的时候，并不要求actualpath已经存在。

 

由于open函数跟随符号链接，需要打开该链接本身，比功能读该链接中路径名。

readlink和readlinkat函数提供了这种功能

#iinclude <unistd.h>

ssize_t readlink(const char *restrict pathname, char *restrict buf, size_t bufsize);
ssize_t readlinkat(int fd, const char* restrict pathname, char *restrict buf, size_t bufsize);

• 重命名

文件或目录可以用rename或者renameat函数进行重命名。

#include <stdio.h>

int rename(const char *oldname, const char *newname);
int renameat(int oldfd, const char *oldname, int newfd, const char *newname);

• 目录操作

1、创建目录

可以用mkdir和mkdirat函数创建目录：

#include <sys/stat.h>

int mkdir(const char*pathname, mode_t mode);
int mkdirat(int fd, const char *pathname, mode_t mode);

这两个函数创建一个新的空目录，其中.目录项和..目录项是自动创建的。mode指定权限位，由进程的屏蔽字修改。

在没有mkdir函数时，进程需要调用mknod函数创建一个新目录，不过只有超级用户进程才能使用。

2、删除目录

可以用rmdir函数删除一个空目录，空目录只包含.目录项和..目录项：

#include <unistd.h>

int rmdir(const char *pathname);

如果调用rmdir使目录（i节点）的链接计数为0，并且没有其他进程打开此目录，则释放此目录所占用的空间。

如果链接计数为0，但有一个或多个进程打开此目录，则此函数返回前，删除最后一个链接及.目录项和..目录项，但不释放此目录。

3、读目录

读目录操作如图6所示：【将应用程序与目录格式中与实现相关的细节隔离】

可以利用上述7个函数，去遍历文件层次结构。

图6 读目录相关操作

opendir和fdopendir函数返回的指向DIR结构的指针由其他5个函数所使用。

DIR结构是一个内部结构，保存当前正在被读的目录的有关信息。

opendir执行初始化操作，是第一个readdir返回目录中的第一个目录项。

fdopendir创建时，readdir返回的第一项取决于fd相关联的文件偏移量。

 

dirent结构至少包含两个成员：

ino_t d_ino; //i-node number
char d_name[]; //null-terminated filename

seekdir是设置目录项位置为loc，rewinddir是设置目录项位置重新返回开头，telldir是返回当前目录项位置。

 

• 当前工作目录

每个进程都有一个当前工作目录，此目录是搜索所有相对路径名的起点。

进程调用chdir或fchdir函数可以更改当前工作目录：

#include <unistd.h>

int chdir(const char *pathname);
int fchdir(int fd);

 因为当前工作目录是进程的一个属性，只影响调用chdir的进程本身，不影响其他进程。

chdir跟随符号链接。

可以调用getcwd函数获取当前工作目录完整的绝对路径名：

#include <unistd.h>

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

 缓冲区需要有足够的长度以容纳绝对路径名再加上一个终止null字节，否则返回出错。

• 设备特殊文件

stat结构的st_dev和st_rdev这两个字段：

st_dev是文件系统的设备号，每个文件系统所在的存储设备都由其主、次设备号表示。

可以使用两个宏：major和minor来访问主、次设备号。

只有字符特殊文件和块特殊文件才有st_rdev值，此值包含实际设备的设备号。

• 文件长度及文件截断

1、stat结构成员st_size

 stat结构成员st_size表示以字节为单位的文件长度，如图3所示，此字段只对普通文件/目录文件/符号链接有意义。

普通文件长度可以是0；

目录文件长度通常是一个数（16或512的整数倍）；

符号链接文件长度是其链接文件名的实际字节数，如usr/lib。

2、stat结构成员st_blksize和st_blocks

st_blksize是对文件I/O较适合的块长度，为了提高效率，标准I/O库试图一次读写st_blksize个字节。

st_blocks是所分配的实际512字节块块数【此值是不可移植的】。

3、文件中的空洞

普通文件可以包含空洞，空洞是由所设置的偏移量超过文件尾端，并写入了数据后造成的。

也就是说：文件的长度大于文件所使用的磁盘空间字节块数。

4、文件截断

在打开文件的时候，使用O_TRUNC标志可以将长度截断为0;

将现有文件长度截断为length：

#include <unistd.h>

int truncate(const char *pathname, off_t length);
int ftruncate(int fd, off_t length); 

如果文件之前长度大于length，则超过length以外的数据将不能再访问；

如果文件以前的长度小于length，文件长度将增加，也就是有可能创建了一个空洞；

 

• 文件时间

图7 文件时间

st_atim是文件数据的最后访问时间；

st_mtim是文件数据的最后修改时间；

st_ctim是文件i节点状态的最后更改时间，如更改文件的访问权限/更改用户ID/更改链接数等，此时文件数据没有被更改。

ls默认（ls -l）按照文件修改时间（st_mtim）进行排序显示；

ls -u，按照文件访问时间（st_atim）进行排序显示；

ls -c，按照文件状态更改时间（st_ctim）进行排序显示；

图8是各种函数对3个时间的作用：

图8 各种函数对时间的作用

可以用futimens/utimensat/utimes对文件访问时间（st_atim)和文件修改时间（st_mtim）进行更改。

#include <sys/sta.h>

int futimens(int fd, const struct timespec times[2]);
int utimensat(int fd, const char *path, const struct timespec times[2], int flag);

#include <sys/time.h>

int utimes(const char *pathname, const struct timeval times[2]);