学习笔记4

苏格拉底挑战


第七章 文件操作

一.知识点归纳

（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。

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。下文列出了类Unix系统内核中的一些函数，其中前缀 k 表示内核函数。

kmount(), kumount()		（mount/umount file systems）
kmkdir(), krmdir()		（make/remove directory）
kchdir(), kgetcwd()		（change directory, get CWD pathname）
klink(),  kunlink()		（hard link/unlink files）
kchmod(), kchown(), kutime()	（change r|w|x permissions,owner,time）
kcreat(), kopen()		（create/open file for R,W,RW,APPEND）
kread(),  kwrite()		（read/write opened files）
klseek(), kclose()		（lseek/close file descriptors）
ksymlink(), kreadlink()		（create/read symbolic link files）
kstat(),  kfstat(), klstat()	（get file status/information）
kopendir(), kreaddir()		（open/read directories）

3.系统调用

用户模式程序使用系统调用来访问内核函数。例如，下面的程序可读取文件的第二个1024字节。

#include<fcntl.h>
int main(int argc, char *agrv[])
{
	int fd, n;
	char buf[1024];
	if((fd = open(argv[1], O_RDONLY))<0)
		exit(1);
	lseek(fd, 1024, SEEK_SET);
	n = read(fd, buf, 1024);
	close(fd);
}

4.I/O库函数

I/O库函数包括：

FILE mode I/0: fopen(),fread(); fwrite(),fseek(),fclose(),fflush()
char mode I/0: getc(), getchar(),ugetc(); putc(),putchar()
line mode I/0: gets(), fgets(); puts(), fputs()
formatted I/0: acanf(),fscanf(),sscanf(); printf(),fprintf(),sprintf()

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。用户命令的示例如下：

mkdir, rmdir, cd, pwd, ls, link, unlink, rm, cat, cp, mv, chmod, etc.

每个用户命令实际上是一个可执行程序（cd除外），通常会调用库I/O函数，而库I/O函数再发出系统调用来调用相应的内核函数。用户命令的处理顺序为：

Command => Library I/O function => System call => Kernel Function
或
Command =========================> System call => Kernel Function

（二）文件I/O操作

（三）低级别文件操作

1.分区

在 Linux 下，创建一个名为 mydisk 的虚拟磁盘映像文件。

dd if=/dev/zero of=mydisk bs=1024 count=1440

dd 是将一个1440（1KB）个0字节块写入目标文件 mydisk 的程序。我们选择 count=1440，因为它是旧软盘的 1KB 字节块的数量。必要时，可指定更大的库编号。

2.格式化分区

格式：

mkfs -t TYPE [-b bsize] device nblocks

假设是 EXT2/3 文件系统，它是 Linux 的默认文件系统。因此，

mkfs -t ext2 vdisk 1440  或  mke2fs vdisk 1440
sudo mount -o loop vdisk /mnt
sudo umount /mnt  或  sudo umount vdisk

3.挂载分区

#（1）用dd命令创建一个虚拟磁盘映像
dd if=/dev/zero of=mydisk bs=1024 count=32768
#（2）在vdisk上运行fdisk来创建一个分区P1
fdisk vdisk
#（3）使用以下扇区数在vdisk的分区1上创建一个循环设备
losetup -o $(expr 2048 \* 512) --sizelimit $(expr 65535 \* 512) /dev/loop1
vdisk
losetup -a
#（4）格式化/dev/loop1，它是一个EXT2文件系统
mke2fs -b 4096 /dev/loop1 7936
#（5）挂载循环设备
mount /dev/loop1 /mnt
#（6）访问作为文件系统一部分的挂载系统
(cd /mnt; mkdir bin boot dev etc user)
#（7）设备使用完毕后，将其卸载
umount /mnt
#（8）循环设备使用完毕后，通过以下命令将其断开
losetup -d /dev/loop1

（四）EXT2文件系统简介

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：

dd if=/dev/zero of=mydisk bs=1024 count=1440
mke2fs -b 1024 mydisk 1440

image
image

  • Block#0：引导块
    • B0是引导块(Boot Block)，文件系统不会使用它。它用于容纳从磁盘引导操作系统的引导程序。
  • Block#1：超级块
    • 超级块(Super Block)描述整个分区的文件系统信息，如inode/block的大小、总量、使用量、剩余量，以及文件系统的格式与相关信息。超级块在每个块组的开头都有一份拷贝（第一个块组必须有，后面的块组可以没有）。
    • 超级块记录的信息有：
      1. block 与 inode 的总量（分区内所有Block Group的block和inode总量）；
      2. 未使用与已使用的 inode / block 数量；
      3. block 与 inode 的大小 (block 为 1, 2, 4K，inode 为 128 bytes)；
      4. filesystem 的挂载时间、最近一次写入数据的时间、最近一次检验磁盘 (fsck) 的时间等文件系统的相关信息；
      5. 一个 valid bit 数值，若此文件系统已被挂载，则 valid bit 为 0 ，若未被挂载，则 valid bit 为 1 。
  • Block#2：块组描述符块
    • 块组描述符块(GD)由很多块组描述符组成，整个分区分成多个块组就对应有多少个块组描述符。
    • 每个块组描述符存储一个块组的描述信息，如在这个块组中从哪里开始是inode Table，从哪里开始是Data Blocks，空闲的inode和数据块还有多少个等等。块组描述符在每个块组的开头都有一份拷贝。
  • Block#8：块位图
    • 块位图(Block Bitmap)用来描述整个块组中哪些块已用哪些块空闲。块位图本身占一个块，其中的每个bit代表本块组的一个block，这个bit为1代表该块已用，为0表示空闲可用。假设格式化时block大小为1KB，这样大小的一个块位图就可以表示1024*8个块的占用情况，因此一个块组最多可以有10248个块。
  • Block#9：索引节点位图
    • inode位图(inode Bitmap)和块位图类似，本身占一个块，其中每个bit表示一个inode是否空闲可用。 Inode bitmap的作用是记录block group中Inode区域的使用情况，Ext文件系统中一个block group中可以有16384个Inode，代表着这个Ext文件系统中一个block group最多可以描述16384个文件。
  • Block#10：索引（开始）节点块
    • inode表(inode Table)由一个块组中的所有inode组成。一个文件除了数据需要存储之外，一些描述信息也需要存储，如文件类型，权限，文件大小，创建、修改、访问时间等，这些信息存在inode中而不是数据块中。inode表占多少个块在格式化时就要写入块组描述符中。 在Ext2/Ext3文件系统中，每个文件在磁盘上的位置都由文件系统block group中的一个Inode指针进行索引，Inode将会把具体的位置指向一些真正记录文件数据的block块，需要注意的是这些block可能和Inode同属于一个block group也可能分属于不同的block group。我们把文件系统上这些真实记录文件数据的block称为Data blocks。

第八章 使用系统调用进行文件操作

一.知识点归纳

（一）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。

（二）简单的系统调用

  • access：检查对某个文件的权限
int access(char *pathname, int mode);
  • chdir：更改目录
int chdir(const char *path);
  • chmod：更改某个文件的权限
int chmod(char *path, mode_t mode);
  • chown：更改文件所有人
int chown(char *name, int uid, int gid);
  • chroot：将（逻辑）根目录更改为路径名
int chroot(char *pathname);
  • getcwd：获取 CWD 的绝对路径名
char *getcwd(char *buf, int size);
  • mkdir：创建目录
int mkdir(char *pathname, mode_t mode);
  • rmdir：移除目录（必须为空）
int rmdir(char *pathname);
  • link：将新文件硬链接到旧文件
int link(char *oldPath, int *newPath);
  • unlink：取消某个文件的链接；如果文件的链接数为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);
  • rename：更改文件名称
int rename(char *oldPath, int *newPath);
  • utime：更改文件的访问和修改时间
int utime(char *pathname, struct utimebuf *time);

以下系统调用需要超级用户权限。

  • mount：将文件系统添加到挂载点目录上
int mount(char *specialfile, char *mountDir);
  • umount：分离挂载的文件系统
int umount(char *dir);
  • mknod：创建特殊文件
int mknod(char *path, int mode, int device);

（三）常用的系统调用

  • stat：获取文件状态信息
int stat(char *filename, struct stat *buf);
int fstat(char 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 read(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, char 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 newfd 已打开，先将其关闭
int dup2(int oldfd, int newfd);
  • link：将新文件硬链接到旧文件
int link(char *oldPath, int *newPath);
  • unlink：取消某个文件的链接；如果文件的链接数为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);

（四）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, int *newPath)

2.符号链接文件

软连接：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，对应的系统调用为：

symlink(char *target, char *newpath)

二.问题与解决思路

三.实践内容与截图

（一）mkdir、chdir、getcwd 系统调用

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
int main()
{
  char buf[256],*s;
  int r;
  r=mkdir("newdir",0766);//mkdir syscall
  if(r<0)
    printf("errno=%d : %s\n",errno,strerror(errno));
  r=chdir("newdir");//cd into newdir
  s=getcwd(buf,256);//get CWD string into buf[]
  printf("CWD = %s\n",s);
}

image

（二）ls程序

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <pwd.h>
#include <grp.h>
#include <time.h>
#include <string.h>

int main(int argc,char * argv[]){
    if(argc<2){
        printf("%s need filename\n",argv[0]);
        return -1;
    }
    struct stat st;
    int ret=stat(argv[1],&st);
    if(ret==-1){
        perror("stat");
        return -1;
    }
    char perms[11]={0}; 

    switch (st.st_mode & S_IFMT){
        case S_IFLNK:
            perms[0]='l';
            break;
        case S_IFDIR:
            perms[0]='d';
            break;
        case S_IFREG:
            perms[0]='-';
            break;
        case S_IFBLK:
            perms[0]='b';
            break;
        case S_IFCHR:
            perms[0]='c';
            break;
        case S_IFSOCK:
            perms[0]='s';
            break;
        case S_IFIFO:
            perms[0]='p';
            break;
        default:
            perms[0]='?';
            break;
    }
    
    perms[1]=(st.st_mode & S_IRUSR) ? 'r':'-';
    perms[2]=(st.st_mode & S_IWUSR) ? 'w':'-';
    perms[3]=(st.st_mode & S_IXUSR) ? 'x':'-';
    perms[4]=(st.st_mode & S_IRGRP) ? 'r':'-';
    perms[5]=(st.st_mode & S_IWGRP) ? 'w':'-';
    perms[6]=(st.st_mode & S_IXGRP) ? 'x':'-';
    perms[7]=(st.st_mode & S_IROTH) ? 'r':'-';
    perms[8]=(st.st_mode & S_IWOTH) ? 'w':'-';
    perms[9]=(st.st_mode & S_IXOTH) ? 'x':'-';

    int linkNum=st.st_nlink;

    char * fileUser = getpwuid(st.st_uid)->pw_name;
    char * fileGrp = getgrgid(st.st_gid)->gr_name;
    long int fileSize = st.st_size;
    char * time = ctime(&st.st_mtime);

    char mtime[512]={0};
    strncpy(mtime,time,strlen(time)-1);

    char buf[1024];
    sprintf(buf,"%s %d %s %s %ld %s %s",perms,linkNum,fileUser,fileGrp,fileSize,mtime,argv[1]);
    printf("%s\n",buf);
    return 0;
}

（三）显示文件内容（cat 命令）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>

#define BLKSIZE 4096
int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd, i, m, n;
	char buf[BLKSIZE], dummy;
	if(argc>1)
	{
		fd = open(argv[1], O_RDONLY);
		if(fd < 0)
			exit(1);
	}
	while(n = read(fd, buf, BLKSIZE))
	{
		m = write(1, buf, n);
	}
}

（四）复制文件（cp sec dest 命令）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>

#define BLKSIZE 4096
int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd, gd, n, total=0;
	char buf[BLKSIZE];
	if(argc<3)
		exit(1);
	if((fd = (open(argv[1], O_RDONLY)) < 0))
		exit(2);
	if((gd = open(argv[2], O_WRONLY|O_CREAT)) < 0)
		exit(3); 
	while(n = read(fd, buf, BLKSIZE))
	{
		write(gd, buf, n);
		total += n;
	}
	printf("total bytes copied=%d\n", total);
	close(fd);
	close(gd);
}
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