Linux系统编程-文件系统

**硬链接（Hard Link）**是一种文件链接方式，它直接指向文件的数据所在的位置，即文件系统中的inode（索引节点）。硬链接不是文件的副本，它与原始文件共享相同的inode和数据块。这意味着硬链接和原始文件是完全相同的，对硬链接的修改实际上是对原始文件的修改，反之亦然。硬链接在文件系统管理、备份和数据恢复等场景中非常有用，因为它们提供了对原始数据的直接访问，而不需要复制数据。然而，由于硬链接的特性，使用时也需要谨慎，以避免意外覆盖或删除重要文件。可以使用stat查询Links数，即inode硬链接数量。

硬链接的特点：

1.共享inode ：硬链接共享相同的inode和数据块，因此它们具有相同的inode号。

2.文件名无关 ：硬链接可以位于不同的目录中，与文件名无关。硬链接的创建不会影响文件的目录结构。

3.不可跨文件系统 ：硬链接不能跨越不同的文件系统创建。硬链接必须位于与原始文件相同的文件系统中。

4.删除行为 ：只有当指向同一个inode的所有硬链接都被删除后，文件的数据才会被系统释放。删除硬链接不会删除原始文件或其它硬链接。

5.不适用于目录和分区：硬链接通常不用于目录，因为目录的硬链接可能导致文件系统中的循环，从而引发问题。

创建硬链接：

在Linux中，可以使用 ln 命令创建硬链接，命令格式如下：

bash 复制代码

ln existing_file new_link

这里的 existing_file 是已存在的文件，new_link 是要创建的硬链接的名称。

符号链接（Symbolic Link，也称为Symlink） 是一种特殊的文件类型，它包含了指向另一个文件或目录的路径。符号链接可以视为一个快捷方式，它允许用户通过链接访问目标文件或目录，就像直接访问原始文件或目录一样。

Blocks为0不占内存空间

符号链接的特点：

1.包含路径 ：符号链接是一个单独的文件，包含了指向另一个文件或目录的路径。

2.跨文件系统 ：符号链接可以跨越不同的文件系统，这与硬链接不同。

3.目录和文件 ：符号链接可以指向文件或目录。

4.删除独立性 ：删除符号链接不会影响它所指向的原始文件或目录。

5.更新和移动 ：如果原始文件或目录被移动或重命名，符号链接将变为死链接（dangling symlink），即它指向的路径不再有效。

6.权限继承：符号链接的权限与原始文件或目录的权限无关，但访问符号链接时的权限检查会应用到目标文件或目录。

创建符号链接：

在Linux中，可以使用 ln 命令的 -s 选项创建符号链接，命令格式如下：

bash 复制代码

 ln -s target_path link_name

这里的 target_path 是要链接的目标文件或目录的路径，link_name 是符号链接的名称。

文件属性

1.stat

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int stat(const char *pathname, struct stat *statbuf);

通过文件路径获取属性信息填入 struct stat中，成功返回0，失败返回-1

2.fstat

cpp 复制代码

int fstat(int fd, struct stat *statbuf);

通过文件描述符获取属性信息填入 struct stat中，成功返回0，失败返回-1

3.lstat

cpp 复制代码

int lstat(const char *pathname, struct stat *statbuf);


struct stat {
    dev_t st_dev;         /* 包含文件的设备的ID */
    ino_t st_ino;         /* inode（索引节点）编号 */
    mode_t st_mode;       /* 16位的位图，表示文件类型，文件访问权限，特殊权限位 */
    nlink_t st_nlink;     /* 硬链接的数量 */
    uid_t st_uid;         /* 所有者的用户名ID */
    gid_t st_gid;         /* 所有者的组ID */
    dev_t st_rdev;        /* 特殊文件的设备ID */
    off_t st_size;        /* 总大小，单位为字节 */
    blksize_t st_blksize; /* 文件系统I/O的块大小 */
    blkcnt_t st_blocks;  /* 分配的512B块的数量 */

    /* 自 Linux 2.6 起，内核支持以下时间戳字段的纳秒级精度。
       有关 Linux 2.6 之前的详细信息，请参阅注释。 */

    struct timespec st_atim;  /* 最后访问时间 */
    struct timespec st_mtim;  /* 最后修改时间 */
    struct timespec st_ctim;  /* 最后状态改变时间 */

    #define st_atime st_atim.tv_sec      /* 向后兼容 */
    #define st_mtime st_mtim.tv_sec
    #define st_ctime st_ctim.tv_sec
};

面对符号链接文件时获取的是符号链接文件的属性。

4.chmod&fchmod

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int chmod(const char *pathname, mode_t mode);
int fchmod(int fd, mode_t mode);

改变权限，成功返回0,失败-1

S_ISUID (04000) 设置用户ID（在调用 execve(2) 时设置进程有效用户ID）

S_ISGID (02000) 设置组ID（在调用 execve(2) 时设置进程有效组ID；强制性锁定，如 fcntl(2) 中所述；从父目录获取新文件的组，如 chown(2) 和 mkdir(2) 中所述）

S_ISVTX (01000) 粘滞位（限制删除标志，如 unlink(2) 中所述）

S_IRUSR (00400) 所有者读取

S_IWUSR (00200) 所有者写入

S_IXUSR (00100) 所有者执行/搜索（"搜索"适用于目录，意味着可以访问目录内的条目）

S_IRGRP (00040) 组内成员读取

S_IWGRP (00020) 组内成员写入

S_IXGRP (00010) 组内成员执行/搜索

S_IROTH (00004) 其他用户读取

S_IWOTH (00002) 其他用户写入

S_IXOTH (00001) 其他用户执行/搜索

目录操作

目录的创建和销毁

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

创建一个新目录。如果目录的父目录不存在，或者没有足够的权限，函数将失败。

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int rmdir(const char *pathname);

删除一个空目录。如果目录非空，或者指定路径不存在，或者没有足够的权限，函数将失败。

更改当前工作路径

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int chdir(const char *path);

改变（切换）当前工作目录到指定的路径。如果路径不存在或没有足够的权限访问该路径，函数将失败。

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int fchdir(int fd);

改变当前工作目录到由文件描述符 fd 指向的目录。

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

获取当前工作目录的绝对路径，并将其复制到由 buf 指向的缓冲区中。如果缓冲区大小不足以存储路径，函数将失败。

目录流操作

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DIR *opendir(const char *name);
DIR *fdopendir(int fd);

打开文件夹获取DIR流指针，失败返回NULL

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struct dirent *readdir(DIR *dirp);


    struct dirent {
        ino_t d_ino;       /* inode编号 */
        off_t d_off;       /* 并非偏移量；详见下文 */
        unsigned short d_reclen; /* 此记录的长度 */
        unsigned char d_type; /* 文件类型；并非所有文件系统类型都支持 */
        char d_name[256]; /* 以空字符结尾的文件名 */
    };

返回指向struct dirent指针，dirent里存储了目录的信息，失败返回空指针

日期和时间

1.time

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time_t time(time_t *tloc);

时间戳是从 1970 年 1 月 1 日（UTC 时间）开始计算的Unix 时间戳，tloc如果提供了这个参数，函数会将当前时间的时间戳存储在这个指针指向的位置。如果这个参数是 NULL 或者没有提供，函数不会写入任何值。

2.gmtime

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struct tm *gmtime(const time_t *timep);


struct tm {
        int tm_sec;    /* Seconds (0-60) */
        int tm_min;    /* Minutes (0-59) */
        int tm_hour;   /* Hours (0-23) */
        int tm_mday;   /* Day of the month (1-31) */
        int tm_mon;    /* Month (0-11) */
        int tm_year;   /* Year - 1900 */
        int tm_wday;   /* Day of the week (0-6, Sunday = 0) */
        int tm_yday;   /* Day in the year (0-365, 1 Jan = 0) */
        int tm_isdst;  /* Daylight saving time */
};

Unix时间转为tm结构体，该结构体表示的是协调世界时UTC

3.localtime

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struct tm *localtime(const time_t *timep);

Unix时间转为tm结构体，会根据本地时区和夏令时调整来转换时间

4.strftime

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size_t strftime(char *s, size_t max, const char *format, const struct tm *tm);

根据给定的格式字符串，将 tm 结构体中的时间信息格式化为可读的字符串，并将其存储在提供的字符数组 s 中

参数

s：指向字符数组的指针，用于存储格式化后的字符串。

max：s 数组的最大长度，即可以存储的最大字符数，包括空字符（'\0'）。

format：一个格式字符串，指定了时间的格式化方式。格式字符串中可以包含特殊的格式说明符，如 %Y 表示四位数的年份等。

tm：指向 tm 结构体的指针，包含了要格式化的时间信息。

返回值

函数返回实际写入到 s 数组中的字符数（不包括结尾的空字符）。如果由于缓冲区大小不足而无法写入整个字符串，返回值会小于 max。如果 s 是 NULL 或 max 是 0，则函数不执行格式化操作，但仍然会返回需要的缓冲区大小（不包括结尾的空字符）。

格式化说明符

%a：缩写的星期名称。

%A：完整的星期名称。

%b：缩写的月份名称。

%B：完整的月份名称。

%c：适合人类可读的日期和时间。

%d：月份中的第几天（01-31）。

%H：小时（24小时制，00-23）。

%I：小时（12小时制，01-12）。

%m：月份（01-12）。

%M：分钟（00-59）。

%S：秒（00-59）。

%Y：四位数的年份。

/etc目录下的文件

/etc/passwd

文件中的每行都包含一个用户账户的信息，字段之间用冒号（:）分隔。标准的字段包括：

-用户名：用户的登录名。

-密码：通常是一个"x"字符，表示密码存储在 /etc/shadow 文件中，或者是加密后的密码散列值。

-用户ID（UID）：用户的唯一标识符，通常是数字。

-组ID（GID）：用户所属主组的唯一标识符。

-登录shell：用户登录时使用的 shell。

格式示例如下：

username:x:UID:GID:User Name:/home/username:/bin/bash

具体解释如下：

username：用户的登录名。

x：表示密码存储在 /etc/shadow 文件中。

UID：用户的唯一标识符。

GID：用户所属主组的唯一标识符。

User Name：用户的全名或描述。

/home/username：用户的主目录路径。

/bin/bash：用户的默认登录 shell。

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struct passwd *getpwnam(const char *name);


struct passwd {
         char   *pw_name;       /* username */
         char   *pw_passwd;     /* user password */
         uid_t   pw_uid;        /* user ID */
         gid_t   pw_gid;        /* group ID */
         char   *pw_gecos;      /* user information */
         char   *pw_dir;        /* home directory */
         char   *pw_shell;      /* shell program */
};

通过用户名获取用户信息

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struct passwd *getpwuid(uid_t uid);

通过用户uid获取用户信息

etc/group

是 Linux 和类 Unix 系统中的另一个重要文件，它用于存储用户组的信息。每个条目代表一个用户组，并且每行的字段通常由冒号（:）分隔。标准的字段包括：

-组名：用户组的名称，通常不包含空格。

-密码：用户组的加密密码，或者是一个"x"字符，表示密码存储在 /etc/gshadow 文件中。

-组ID（GID）：用户组的唯一标识符，是一个数字。

-用户列表：属于该组的用户列表，可以是用户名或用户名的逗号分隔列表。

格式示例如下 ：

groupname:password:GID:user1,user2,user3

具体解释如下 ：

groupname：用户组的名称。

password：用户组的加密密码，或者是一个"x"字符表示密码存储在 /etc/gshadow 文件中。

GID：用户组的唯一标识符。

user1,user2,user3：属于该组的用户列表，用户之间用逗号分隔。

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struct group *getgrnam(const char *name);


struct group {
         char   *gr_name;        /* group name */
         char   *gr_passwd;      /* group password */
         gid_t   gr_gid;         /* group ID */
         char  **gr_mem;         /* NULL-terminated array of pointers
                                          to names of group members */
};

通过组名获取组信息

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struct group *getgrgid(gid_t gid);

通过组gid获取组信息

/etc/shadow

文件在类 Unix 系统中用于存储用户账户的密码信息，以增强安全性。该文件通常只能由 root 用户访问，并且包含加密后的密码数据。每行对应一个用户，字段之间用冒号（:）分隔。标准的字段包括：

-用户名：与 /etc/passwd 文件中的用户名相同。

-加密密码：用户的加密密码或一个特定的值，如 * 或 !，表示账户被锁定或密码无效。

-最后一次更改密码的日期：以从1970年1月1日（epoch）开始的天数计算。

-密码最小更改间隔：用户必须等待的最小天数，才能再次更改密码。

-密码最大有效期限：密码的最大有效天数。

-密码警告期：在密码过期前，系统会警告用户的天数。

密码到期后账户被禁用的天数：密码过期后，用户账户被禁用的天数。

-预留字段：通常为空。

格式示例如下：
username: $6$ somehash$somehash:17000:0:99999:7:7:::

具体解释如下：

username：用户的登录名。

$6$ somehash $somehash：加密的密码，其中$ 6$ 表示使用的是 SHA-512 加密算法。

17000：最后一次更改密码的日期（天数）。

0：密码最小更改间隔。

99999：密码最大有效期限。

7：密码警告期。

7：密码到期后账户被禁用的天数。

::：预留字段，通常为空。

GLOB函数

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int glob(const char *pattern, int flags,
                int (*errfunc) (const char *epath, int eerrno),
                glob_t *pglob);


typedef struct {
         size_t gl_pathc;    /* 到目前为止匹配的路径数量 */
         char **gl_pathv;    /* 匹配的路径名列表 */
         size_t gl_offs;     /* 在 gl_pathv 中预留的槽位数 */
} glob_t;

参数说明：

--pattern：一个指向以null结尾的字符串的指针，指定了要匹配的文件名模式(文件路径)。模式可以包含如下特殊字符：

*：匹配任意数量的字符。

?：匹配任意单个字符。

$...$ ：匹配括号内的任意一个字符。

--flags：用于控制glob函数行为的标志位，可以是以下值的组合：

GLOB_APPEND：如果pglob已经包含一些路径，新的路径将被追加到现有列表中,没有APPEND则是覆盖。

GLOB_DOOFFS：减少分配给pglob->gl_pathv数组的内存量，数组大小为pglob->gl_pathc + 1。

GLOB_ERR：如果发生错误并且提供了错误函数，函数将立即调用错误处理函数。

GLOB_MARK：在每个匹配的路径名末尾添加一个斜杠（/）。

GLOB_NOCHECK：如果模式没有匹配任何文件，返回空列表而不是GLOB_NOMATCH错误。

GLOB_NOSORT：不按字母顺序对匹配的路径进行排序。

--errfunc：当出现错误并且GLOB_ERR标志被设置时，将调用此错误处理函数。该函数接受两个参数：错误路径和错误号。不需要错误检查时可以设置NULL。

--pglob：指向glob_t结构的指针，该结构用于存储匹配的路径列表和相关信息。

返回值 ：

成功时，返回 0。

当没有找到匹配的文件名时，如果设置了GLOB_NOCHECK标志，返回 0，否则返回 GLOB_NOMATCH。

发生错误时，返回非零错误代码。

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void globfree(glob_t *pglob);

销毁pglob申请空间，主要是char **gl_pathv;字符数组申请的空间

利用glob实现du功能

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <glob.h>
#include <string.h>

#define PATHSIZE 128

static path_noloop(const char *path) {
    char *pos;
    pos = strrchr(path, '/')'
    if(pos == NULL)
        exit(1);

    if(strcmp(pos+1, ".") == 0 || strcmp(pos+1, "..") == 0)
        return 0;

    return 1;
}

static int64_t K_du(const char* path){
    struct stat statres;
    //非目录
    if(lstat(path, &statres) < 0 ){
        perror("lstat()");
        exit(1);
    }
    if(!S_ISDIR(statres.st_mode))
            return statres.st_blocks/2;
    //目录
    char *nextpath[PATHSIZE];
    glob_t globres;
    int sum = statres.st_blocks;

    strncpy(nextpath, path, PATHSIZE);
    strncat(nextpath, "/*", PATHSIZE);
    glob(nextpath, 0, NULL, &globres);

    strncpy(nextpath, path, PATHSIZE);
    strncat(nextpath, "/.*", PATHSIZE);
    glob(nextpath, GLOB_APPEND, NULL, &globres);

    for(int i = 0; i < globres.gl_pathc; i++){
        if(path_noloop(globres.gl_pathv[i]))
            sum += mydu(globres.gl_pathv[i]);
    }

    return sum;
}

利用glob实现shell的ls功能

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <glob.h>
#include <sys/wait.h>

// 定义命令分隔符
#define DELIMS " \t\n"

// 定义一个结构体，用于存储 glob 函数的返回结果
struct cmd_st {
    glob_t globres;
};

// promopt 函数用于显示提示符
static void promopt(void) {
    printf("[myshell-knoci-1.2] $ ");
}

// parse 函数用于解析用户输入的命令行
static void parse(char *line, struct cmd_st *cmd) {
    char *token;  // 用于存储分割出的每个单词
    int i = 0;    // 用于控制是否追加到 glob 结构

    // 使用 strsep 函数分割字符串，直到没有更多单词
    while(1) {
        token = strsep(&line, DELIMS);
        if (token == NULL)
            break;
        if(token[0] == '\0')  // 跳过空字符串
            continue;

        // 对每个分割出的单词进行 glob 匹配，第一个单词不追加，后续追加
        glob(token, GLOB_NOCHECK | (i ? GLOB_APPEND : 0), NULL, &cmd->globres);
        i = 1;
    }
}

// 主函数
int main(int argc, char *argv[]) {
    char *linebuf = NULL;  // 用于存储 getline 读取的整行命令
    size_t linebuf_size = 0; // linebuf 的当前分配大小
    struct cmd_st cmd;      // 定义 cmd 结构用于存储 glob 结果
    // 初始化 glob 结构的指针和计数器
    cmd.globres.gl_pathv = NULL;
    cmd.globres.gl_pathc = 0;
    pid_t pid;  // 存储 fork 函数返回的子进程 ID

    // 无限循环，持续读取和执行用户命令
    while(1) {
        promopt();  // 显示提示符

        // 使用 getline 函数从标准输入读取一行
        if(getline(&linebuf, &linebuf_size, stdin) < 0)
            break;

        // 解析命令行
        parse(linebuf, &cmd);

        // 假设没有内部命令，所有命令都是外部命令
        pid = fork();  // 创建子进程
        if(pid < 0) {
            perror("fork");  // 显示 fork 出错信息
            exit(1);
        }

        // 在子进程中执行命令
        if(pid == 0) {
            // 子进程中调用 execvp 执行命令
            if(cmd.globres.gl_pathc > 0) {
                execvp(cmd.globres.gl_pathv[0], cmd.globres.gl_pathv);
            }
            perror("execvp");  // 如果 execvp 失败，显示错误信息
            exit(1);  // 退出子进程
        } else {
            // 父进程等待子进程结束
            int status;
            waitpid(pid, &status, 0);
        }
    }

    // 清理资源
    globfree(&cmd.globres);  // 释放 glob 分配的内存
    free(linebuf);  // 释放 getline 分配的内存
    exit(0);  // 正常退出程序
}