Unix/Linux系统编程-学习笔记-第八章

第八章 使用系统调用进行文件操作

8.1 系统调用

在操作系统中，进程以两种不同的模式运行，即内核模式和用户模式，简称Kmode和Umode。在Umode中，进程的权限非常有限。它不能执行任何需要特殊权限的操作。特殊权限的操作必须在Kmode下执行。系统调用（简称syscall）是一种允许进程进入Kmode以执行Umode不允许操作的机制。复刻子进程、修改执行映像，甚至是终止等操作都必须在内核中执行。

8.2 系统调用手册页

在Unix以及大多版本的Linux中，在线手册页保存在/usr/man/目录中（Goldt等1995；Kerrisk 2010，2017）。而在Ubuntu Linux中，则保存在/usr/share/man目录中。man2子目录中列出了所有系统调用手册页。sh命令man 2 NAME显示了系统调用名称的手册页。
例如：

man 2 stat
man 2 open
man 2 read

许多系统调用需要特别包含头文件，手册页的SYNOPSIS（概要）部分列出来这些文件。如果没有合适的头文件，会有警告。

8.3 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，它汇集系统调用参数，并最终向操作系统内核发出一个系统调用。

8.4 常规的系统调用

文件操作的系统调用：
stat：获取文件状态信息

int stat(char *filename, struct stat *buf);
int fstat(int filedes, struct stat *buf);
int lstat(char *filename, struct stat *buf);

open：打开一个文件进行读、写、追加

int open(char *file, int flags, int mode);

close：关闭打开的文件描述符

int close(int fd);

read：读取打开的文件描述符

int read(int fd, char buf[], int count);

write：写入打开的文件描述符

int write(int fd, char buf[], int count);

lseek：重新定位文件描述符的读/写偏移量

int lseek(int fd, int offset, int whence);

dup：将文件描述符复制到可用的最小描述符编号中

int dup(int oldfd);

dup2：将oldfd复制到newfd中，如果文件链接数为0，则删除文件

int dup2(int oldfd, int newfd);

link：将新文件硬链接到旧文件

int link(char *oldPath, char *newPath);

unlink：取消某个文件的链接；如果文件链接数为0，则删除文件

int unlink(char *pathname);

symlink：创建一个符号链接

int symlink(char *target, char *newpath);

readlink：读取符号链接文件的内容

int readlink(char *path, char *buf, int bufsize);

umask：设置文件创建掩码；文件权限为(mask & ~umask)

int umask(int umask);

8.5 链接文件

在Unix/Linux中，每个文件都有一个路径名。但是，Unix/Linux允许使用不同的路径名来表示用一个文件。这些文件叫作LINK（链接）文件。有两种类型的链接，即硬链接和软链接或符号链接。

8.5.1 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。

8.5.2 符号链接文件

软链接：命令

ln -s oldpath newpath   # ln command with the -s flag

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。软链接在以下情况下非常有用。
（1）通过一个较短的名称来访问一个经常使用的较长的路径名称，例如：

x -> aVeryLongPathnameFile

（2）将标准动态库名称链接到实际版本的动态库，例如：

libc.so.6 -> libc.2.7.so

当将实际动态库更改为不同版本时，库安装程序只需更改（软）链接以指向新安装的库。
软链接的一个缺点是目标文件可能不复存在了。如果是这样，绕行标志可能引导可怜的司机摔下悬崖。在Linux中，会通过ls命令以适当的深色RED显示此类危险，提醒用户链接已断开。此外，如果foo -> /a/b/c是软链接，open("foo", 0)系统调用将打开被链接的文件/a/b/c，而不是链接文件自身。所以open()/read()系统调用不能读取软链接文件，反而必须要用readlink系统调用来读取软链接文件的内容。

8.6 stat系统调用

stat/lstat/fstat系统调用可将一个文件的信息返回。命令man 2 stat会显示stat系统调用的手册页。

8.6.5 opendir-readdir函数

目录也是一个文件。我们应该能像其他任何普通文件一样，打开一个READ目录，然后读取和显示它的内容。然而，根据文件系统的不同，目录文件的内容可能会有不同。因此，用户可能无法正确读取和解释目录的内容。鉴于此，POSIX为目录文件指定了以下接口函数。

#include <dirent.h>
DIR *open(dirPath);     // open a directory named dirPath for READ
struct dirent *readdir(DIR *dp);    // return a dirent pointer

Linux中dirent结构体是：

struct dirent {
    u32 d_ino;  // inode number
    u16 d_reclen;
    char d_name[];
};

在dirent结构体中，POSIX只要求必须保留d_name字段。其他字段取决于具体的系统。
opendir()返回一个DIR指针dirp。每个readdir(dirp)调用返回一个dirent指针，指向目录中下一个条目的dirent结构体。当目录中没有更多条目时，则返回一个NULL指针。我们用一个例子来说明它们的用法。下面的代码段可打印目录中的所有文件名称。

#include <dirent.h>
struct dirent *ep;
DIR *dp = opendir("dirname");
while (ep = readdir(dp)) {
    printf("name=%s ", ep->d_name);
}

8.6.6 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);

它将软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。

8.7.1 打开文件和文件描述符

#include <sys/type.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(char *pathname, int flags, mode_t mode);

open()打开一个文件进行读、写或追加。它会返回一个进程可用的最小文件描述符，用于后续的read()、write()、lseek()和close()系统调用。标志字段必须包含下列一种访问模式、即O_RDONLY、O_WRONLY或者O_RDWR。此外，这些标志可与其他标志（O_APPEND、O_TRUNC、O_CLOEXEC）逐位进行OR组合。