Linux系统编程之文件基础知识

概述

在Linux系统中，文件是数据存储和管理的基本单元。无论是普通的文本文件、图片文件，还是复杂的视频文件、数据库文件，都遵循一定的规则和标准。

文件描述符

文件描述符是一个非负整数，用于标识一个打开的文件。每个进程都有一个文件描述符表，记录了所有打开的文件及其相关信息。文件描述符的范围通常是：0到OPEN_MAX。OPEN_MAX是系统定义的最大值，在大多数现代Linux系统中，OPEN_MAX的默认值为1024。

三个标准文件描述符的取值为：标准输入stdin为0，标准输出stdout为1，标准错误stderr为2。

文件类型

Linux文件系统支持多种不同的文件类型，每种文件类型都有不同的特性和用途。常见的文件类型有如下几种。

普通文件：最常见的文件类型，包括文本文件、二进制文件等。

目录文件：用于组织和管理文件的特殊文件，类似于Windows系统中的文件夹。

字符设备文件：表示字符设备，如键盘、串口（比如：/dev/ttyS0）等。

块设备文件：表示块设备，如硬盘（比如：/dev/sda1）、光盘等。

符号链接文件：类似于Windows系统中的快捷方式，指向另一个文件或目录。

套接字文件：用于进程间通信的特殊文件，如TCP套接字、UDP套接字等。

命名管道：一种特殊类型的文件，用于不同进程之间的通信。

文件权限

每个文件和目录都有权限设置，用于控制用户对文件的访问。权限的类型有三种，分别为：读权限、写权限和执行权限。读权限用r表示，允许读取文件内容。写权限用w表示，允许修改文件内容。执行权限用x表示，允许执行文件。

文件权限是与用户类别相关的，不同类别的用户可以具有不同的文件权限。用户类别包括：文件所有者（User）、同组用户（Group）、其他用户（Others）。文件所有者是指创建文件的用户，同组用户是指与文件所有者属于同一用户组的用户，其他用户是指除文件所有者和同组用户以外的其他用户。

每个文件的权限由三个数字组成，分别表示文件所有者、同组用户和其他用户的权限。每个数字可以取0到7之间的值，表示不同的权限组合。每个数字由三个二进制位组成，分别表示读、写和执行权限。

读权限：二进制位为100，十进制值为4。

写权限：二进制位为010，十进制值为2。

执行权限：二进制位为001，十进制值为1。

权限组合的计算方法是将对应的二进制位或十进制位相加。比如：

读写执行（rwx）：4 + 2 + 1 = 7。

读执行（rx）：4 + 1 = 5。

只读（r）：4。

只写（w）：2。

只执行（x）：1。

无权限（---）：0。

假如一个文件拥有的权限为755，则表示文件所有者具有7（读、写、执行）权限，同组用户和其他用户具有5（读、执行）权限。

文件权限是可以被修改的，使用chmod命令即可。比如：有一个文本文件为hope_wisdom.txt，我们希望修改其权限为读、写、执行，则可以使用命令：chmod 755 hope_wisdom.txt。

文件属性

Linux系统中的文件具有多种属性，包括：文件大小、创建时间、修改时间等。下面，给出每个文件属性的简要介绍。

文件大小：文件的字节数。

最后修改时间：文件内容最后一次被修改的时间。

最后访问时间：文件内容最后一次被访问的时间。

状态改变时间：文件状态（比如：权限、所有者）最后一次被改变的时间。

文件类型：文件的类型（比如：普通文件、目录、设备文件等）。

文件所有者：文件所有者的用户ID。

文件所属组：文件所属的用户组ID。

获取文件属性可以使用stat函数，具体可参考下面的示例代码。

cpp 复制代码

#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main()
{
    struct stat file_stat;
    if (stat("hope_wisdom.txt", &file_stat) == -1)
    {
        printf("stat failed\n");
        return 1;
    }

    printf("File size: %ld bytes\n", file_stat.st_size);
    printf("Last modified: %s", ctime(&file_stat.st_mtime));
    printf("Last accessed: %s", ctime(&file_stat.st_atime));
    printf("Created: %s", ctime(&file_stat.st_ctime));
    return 0;
}

文件链接

文件链接是Linux文件系统中的一种特殊机制，用于创建多个文件名指向同一个文件内容。文件链接可分为：硬链接和软链接。

在Linux文件系统中，每个文件都有一个唯一的inode（索引节点）。inode包含文件的元数据信息，比如：文件大小、权限、所有者等。硬链接实际上是创建一个新的文件名，指向同一个inode。这意味着，多个文件名可以共享同一个文件内容。硬链接具有如下四个特点。

1、共享inode：硬链接文件共享同一个inode，因此它们实际上是同一个文件的多个名称。

2、文件内容同步：通过任何一个硬链接文件名对文件内容进行修改，所有硬链接文件名都会看到相同的修改。

3、删除影响：删除一个硬链接文件名不会删除文件内容，只有当所有硬链接文件名都被删除后，文件内容才会被真正删除。

4、跨文件系统：硬链接不能跨文件系统。

可以使用ln命令和link函数来创建硬链接，具体如何使用，可参考下面的示例代码。

cpp 复制代码

// Bash命令
ln source_file target_file

// C++函数调用
const char *source_file = "hope_wisdom.txt";
const char *target_file= "hardlink_hope_wisdom.txt";
link(source_file, target_file);

软链接，也叫符号链接（Symbolic Link，简称Symlink），是一种特殊的文件，它指向另一个文件或目录的路径。软链接提供了一种灵活的方式来引用文件和目录，而不需要复制文件内容。软链接本身并不包含文件内容，而是通过路径引用目标文件的内容。软链接具有如下四个特点。

1、路径引用：软链接包含一个指向目标文件或目录的路径。

2、独立性：软链接文件的内容是路径，而不是文件内容，因此删除软链接不会影响目标文件。

3、跨文件系统：软链接可以跨文件系统创建。

注意：删除原文件，会导致软链接失效。

可以使用ln -s命令和symlink函数来创建软链接，具体如何使用，可参考下面的示例代码。

cpp 复制代码

// Bash命令
ln -s source_file target_file

// C++函数调用
const char *source_file = "hope_wisdom.txt";
const char *target_file= "symlink_hope_wisdom.txt";
symlink(source_file, target_file);

文件系统结构

Linux文件系统采用层次化的树形结构，根目录"/"位于文件系统的最顶层。每个文件或目录都有唯一的路径名，用于标识其在文件系统中的位置。Linux文件系统的主要目录及其用途，可参考下面的思维导图。