文件系统和目录

理论

我们前面介绍过（Computer.Science.Illuminated.7th.CN.计算机科学概论第五章）冯·诺伊曼体系结构包含五个构件：

存放数据和指令的内存单元
对数据执行算术和逻辑运算的算术/逻辑单元
把数据从外部世界转移到计算机中的输入单元
把结果从计算机内部转移到外部世界的输出单元
担当舞台监督，确保其他部件都参与了表演的控制单元

我们也介绍过（Computer.Science.Illuminated.7th.CN.计算机科学概论第十章）操作系统的两个重要角色：

管家婆：通过文件、虚存、进程三个概念管理计算机的硬件
服务生：通过GUI、shell、系统调用等提供服务。

文件

下面我们介绍文件相关的几个概念，这里的文件指的是磁盘文件，后面我们可以看到在Linux中，设备也被抽象成文件了，访问设备文件和磁盘文件可以使用相同的API：

文件（file）∶数据的有名集合，用于组织二级存储设备。
文件系统（file system）∶操作系统为它管理的文件提供的逻辑视图。
目录（directory）∶文件的有名分组。

文件可以分为二进制文件和文本文件两种类型：

文本文件（text file）∶包含字符的文件。
二进制文件（binary file）∶包含特定格式的数据的文件，要求给位串一个特定的解释。

大家注意：“文本文件”和“二进制文件”会令人产生误解。听起来就像文本文件中的信息不是以二进制数据的形式存储的。其实计算机上的所有数据最终都是以二进制数字存储的。

上面说的类型指的是格式化位串的方式：

文本文件：如8位或16位的位块将被解释为字符
二进制文件：用专用的格式组织。

文件还可以根据应用进行分类：

文件类型（file type）∶文件（如Java程序或Microsoft文档）中存放的关于类型的信息。
文件扩展名（file extension）∶文件名中说明文件类型的部分。

大家注意：Windows下扩展名跟文件类型绑定，Linux文件类型跟扩展名没有直接关系。

文件可以进行如下操作：

创建文件
删除文件
打开文件
关闭文件
从文件中读取数据
把数据写入文件
重定位文件中的当前文件指针
把数据附加到文件结尾
删减文件（删除它的内容）
重命名文件
复制文件
...

在操作系统中进行文件访问有两种方式：

顺序文件访问（sequential file access）：把文件看作一种线性结构。这要求按顺序处理文件中的数据。读写操作根据读写的数据量移动当前文件指针。有些系统允许把文件指针重置到文件的开头，还允许向前或向后跳过几个记录
直接文件访问（direct file access）：文件会被概念性地划分为带编号的逻辑记录。直接访问允许用户指定记录编号，从而把文件指针设置为某个特定的记录。

操作还要保护文件，比如每个文件都由一个特定用户所拥有，通常是文件的创建者。Owner通常具有文件的最高访问许可。一个文件可能具有一个相关的组名，分组只是一个用户列表。一个关联组中的用户都具有Group 许可。

目录：目录是文件的有名集合，是一种按照逻辑方式对文件分组的方法。
- 大多数操作系统都用文件表示目录。目录文件存放的是关于目录中的其他文件的数据。
- 对于任何指定的文件，目录中存放有文件名、文件类型、文件存储在硬盘上的地址以及文件的当前大小。此外，目录还存放文件的保护设置的信息，以及文件是何时创建的，何时被最后修改的。

一个文件目录还可以包含另一个目录。包含其他目录的目录叫作父目录，被包含的目录叫作子目录。

目录树（directory tree）∶展示文件系统的嵌套目录组织的结构

根目录（root directory）∶包含其他所有目录的最高层目录。

工作目录（working directory）∶当前活动的子目录。

路径(path):文件或子目录在文件系统中的位置的文本名称。

绝对路径(absolute path):从根目录开始，包括所有后继子目录的路径。

相对路径(relative path):从当前工作目录开始的路径。

文件系统相关Linxu命令

我们在openEuler操作系统上通过Linux命令来说明上述概念，我们通过一个OpenSSL对文件进行加解密流程说明。

我们打开openEuler系统：

1open-openeuler

我们使用mkdir和cd命令新建一个目录，并进入这个目录。

2make-testfiledir

我们使用mkdir再创建三个文件，使用tree命令可以查看目录树结构。

3tree

我们使用cd linux进入linux目录，注意linux是相对路径，我们可以通过pwd查看绝对路径，pwd就是以绝对路径的方式显示当前工作目录：
4pwd

我们通过touch命令新建一个文本文件plain.txt,通过echo命令输入要加密明文内容。我们可以通过cat命令和od命令查看文件内容。通过od命令我们可以看到文本文件也是以二进制方式存储的。
5od

我们还可以通过file命令查看文件的类型，使用stat命令查看文件的属性。stat中的大部分内容可以通过ls -l命令显示。

6type-stat

我们可以通过ls -a看到两个隐藏的目录名，其中.表示当前目录，..表示父目录。

7lsa

我们用OpenSSL命令对明文plain.txt加密，得到密文ciphertext.bin 我们使用的是国密算法sm4. 注意Linux下不需要文件后缀的，我们这有个后缀bin,是提醒大家这是个二进制文件，file命令也显示了这一点。我们用cat命令查看密文内容时会发现都是乱码。我们可以使用od命令查看密文的每个字节都是什么。掌握od命令对大家来说非常有必要，比如后面学习密码学，很多同学大四了看到乱码都不知道如何查看。

8opensslenc

我们用OpenSSL命令对密文ciphertext.bin解密得到plain2.txt加密，我们使用的是国密算法sm4.注意加密密钥（-K）和初始向量（-iv）要和加密过程一致。

9openssldenc

我们对目录，文件还有其他操作，涉及的Linux命令希望大家参考别出心裁的Linux命令学习法、https://www.cnblogs.com/rocedu/p/14891816.html自学。

考虑到后面的教学内容，我们补充一下如何把数字123（大家一定要深刻理解数字123和字符串（文本）“123”的不同）通过echo命令写入到二进制文件中。注意我们写入的是123的16进制值，最后我们使用bc命令把16进制转为10进制，确认无误。

C程序设计

我们把明文和密文拷贝到C文件夹，注意我们这使用的是相对路径。

我们现在思考一下，如何用C语言编程读取明文pain.txt,密文ciphertext.bin中的内容？参考别出心裁的Linux命令学习法，我们可以搜索相关的C函数的。大家需要了解到C语言程序对文件的处理采用文件流（stream）的形式，程序运行在内存中的，而文件存储在外部存储介质上，例如硬盘、光盘、U盘等。可以这样想像，在程序运行时，就会在指定的文件之上建立一条管道，当读取文件时，数据就会像流水一样从文件端流向程序端，而写入文件时，数据就会像流水一样从程序端流向文件端。从文件端向程序端的文件流称为输入流，从程序端向文件端的文件流称为输出流

读取文本文件和二进制文件的通用方式

我们使用 "man -k stream | grep read | grep 3" 就可以搜到读取文件流的函数 fread。

我们查看一下fread的帮助文档,可以看到调用这个函数需要#include <stdio.h>,但是fread函数中的FILE * stream参数是个什么东西？

我们可以看到man fread给出了使用fread的范例，调用fread是要和fopen和fclose配套使用的，大家要熟记这个应用范式：首先打开文件，然后读写文件，然后关闭文件。我们后面读写明文、密文文件，就可以参考这个代码，在读懂代码的基础上修改代码达到自己的预期目的，是我们学习编程非常重要的方法和能力。

我们可以看到，调用fread需要传递参数指明读取的数据长度（字节数），我们可以通过ls -l或stat命令查看文件的长度，我们看到明文长度是6字节，密文长度是16字节。

参考man fread给的范例代码，我们编写readplain.c，readcipher.c程序来读取明文，密文的内容。

readplain.c代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define FILESIZE 6

int main(void)
{
    FILE *fp = fopen("./plain.txt", "r");
    if (!fp) {
        perror("fopen");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    unsigned char buffer[20];

    size_t ret = fread(buffer, 1, FILESIZE, fp);
    if (ret != FILESIZE) {
        fprintf(stderr, "fread() failed: %zu\n", ret);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    for (int i = 0; i < FILESIZE; i++)
        printf("%x ", buffer[i]);
    printf("\n");

    for (int i = 0; i < FILESIZE; i++)
        printf("%c ", buffer[i]);
    printf("\n");
    fclose(fp);

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

readcipher.c代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define FILESIZE 16

int main(void)
{
    FILE *fp = fopen("./ciphertext.bin", "rb");
    if (!fp) {
        perror("fopen");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    unsigned char buffer[20];

    size_t ret = fread(buffer, 1, FILESIZE, fp);
    if (ret != FILESIZE) {
        fprintf(stderr, "fread() failed: %zu\n", ret);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    for (int i = 0; i < FILESIZE; i++)
        printf("%x ", buffer[i]);
    printf("\n");

    fclose(fp);

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

我们不少同学代码写的非常杂乱，希望大家养成使用Linux的indent命令格式化代码的习惯，如果使用完indent,你的代码没有变化，说明你的编码已经比较专业了，我也希望大家举一反三学学IDE（code::blocks，Visual Studio、Dev C++等）中如何格式化代码的：