解码Linux文件IO目录检索与文件属性

目录检索的核心需求

当需要批量访问某个路径下的多个文件时，手动调用open函数逐个处理效率极低。Linux 系统将目录视为特殊文件，提供了一套专门的目录操作接口，可高效实现目录的创建、删除、打开、读取，以及文件属性获取，解决批量文件访问问题。

Linux 目录与文件系统基础

目录的本质：索引而非容器

Linux 中目录是特殊文件，存储的最小单位是 "目录项"（而非普通文件的字符）。
目录项的作用：记录 "文件名" 与 "inode 编号" 的映射关系（类似门牌号，只记位置，不存内容）。
文件夹 vs 目录：文件夹是 "容器"（直观存储文件的概念），目录是 "索引"（底层记录位置的机制），日常使用中可混用，但底层逻辑不同。
目录与文件夹

对比维度	目录（Directory，Linux 下）	文件夹（Folder）
底层本质	文件系统中标识为 "d" 类型的特殊文件（本质是逻辑索引表），是 Linux 底层文件系统的核心组成单元	图形界面（GUI）中的可视化容器形象，仅为用户层抽象概念（无独立底层实体，依赖目录存在）
数据存储逻辑	不存储文件本体，仅保存"目录项"（每条含文件名 + inode 编号），本质是文件定位的索引表	无实际底层存储逻辑/数据结构，仅通过 GUI 视觉效果（如"打开显示内部文件"）传递"存放"感知
与文件的关联	间接关联：通过目录项的 inode 编号，映射文件在磁盘数据区的存储块（依赖 inode 与数据块的底层关联）	视觉关联：依赖 GUI 操作（双击打开、拖拽文件）让用户"感知"文件在其中，不涉及底层 inode/数据块
技术核心作用	支撑 Linux "/" 为顶层的唯一绝对路径体系，构建树状文件结构，实现文件的精准索引与定位	降低操作门槛：将抽象"目录索引"转化为可交互容器（如桌面文件夹、Nautilus/Finder 中的文件夹）
底层操作关联	可通过系统调用直接操作（如 `mkdir` 创建、`opendir` 打开、`readdir` 读取目录项），是底层操作对象	无法通过系统调用直接操作，本质是 GUI 对"目录"的封装------操作文件夹即间接调用目录接口
类比对应	类比"街道门牌号"：仅记录文件的精准位置（路径），不承载任何文件内容	类比"实体房子"：仅提供"文件在其中"的直观承载感知，无实际位置定位的底层逻辑

倒置树状文件系统

所有文件 / 目录以根目录/ 为顶层，构成倒置树状结构。

根目录下常见系统目录（必须掌握）：
- /bin：存放系统基础命令（如ls、cd）
- /dev：存放设备文件（如硬盘/dev/sda、终端/dev/tty）
- /etc：存放系统配置文件（如/etc/passwd）
- /home：普通用户的主目录（如/home/gec）
- /root：管理员（root 用户）的主目录
- /usr：存放用户程序与资源（如/usr/bin、/usr/lib）
- /tmp：临时文件目录（重启后内容清空）

磁盘存储原理：文件数据存哪里？

磁盘的最小存储单位

扇区（Sector）：硬盘物理最小存储单位，默认 512 字节（不可更改）。
块（Block）：操作系统访问磁盘的最小单位，由 8 个扇区组成（即 4KB）。理由：CPU 一次读取 4KB 比多次读取 512 字节更高效，减少 IO 次数。

inode：文件属性的 "身份证"

inode 区与数据区

硬盘格式化时会自动分成两个区域：

inode 区（inode table） ：存储 "inode 结构体"，每个文件对应一个 inode。
- inode 结构体记录文件属性：大小、读写权限、时间戳（访问 / 修改 / 状态变更时间）、所属用户 / 组、指向数据块的指针。
- inode 区以数组存储，数组下标即 inode 编号（唯一标识一个文件）。
数据区（Block Area）：存储文件的实际内容，inode 中的指针直接指向数据区的块。

查看文件的 inode 编号

通过ls命令的-i选项（-l显示详细信息，可组合使用）：

bash 复制代码

# 格式：ls -li [路径]
gec@ubuntu:~/project$ ls -li
total 600
939233 drwxrwxr-x 4 gec gec 4096 12月 21 09:54 libjpeg  # inode编号：939233（目录）
939249 -rwxrwxr-x 1 gec gec 598784 12月 21 09:55 project_gif  # inode编号：939249（可执行文件）
939236 -rw-rw-r-- 1 gec gec 6146 12月 21 09:54 project_gif.c  # inode编号：939236（普通文件）

核心目录操作接口

所有接口需包含对应头文件，使用前建议通过man命令查看细节（如man 2 mkdir）。

创建目录：mkdir

功能

创建指定路径的新目录。

函数

c 复制代码

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
/**
 * 创建新目录
 * @param pathname 要创建的目录路径（绝对路径如"/home/gec/test"，相对路径如"test"）
 * @param mode 目录的权限模式（八进制，如0755表示所有者rwx、组rx、其他rx）
 * @return 成功返回0；失败返回-1，且设置errno（如EEXIST表示目录已存在）
 * @note 实际权限 = mode & ~umask（umask是系统默认权限掩码，默认0022）
 *       需确保父目录存在（如创建"/a/b"需先有"/a"，否则失败）
 */
int mkdir(const char *pathname, mode_t mode);

删除目录：rmdir

功能

删除指定的空目录（非空目录无法删除）。

函数

c 复制代码

#include <unistd.h>
/**
 * 删除空目录
 * @param pathname 要删除的目录路径（绝对/相对路径均可）
 * @return 成功返回0；失败返回-1，且设置errno（如ENOTEMPTY表示目录非空）
 * @note 只能删除空目录（需先删除目录内所有文件/子目录）
 *       不能删除根目录`/`或当前工作目录的父目录（避免系统崩溃）
 */
int rmdir(const char *pathname);

打开目录：opendir

功能

打开指定目录，返回 "目录流指针"（后续读取目录需用此指针）。

函数

c 复制代码

#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
/**
 * 打开目录并返回目录流指针
 * @param name 要打开的目录路径（如"/home/gec"）
 * @return 成功返回指向DIR结构体的指针（目录流）；失败返回NULL，且设置errno
 * @note 目录流初始指向目录的第一个目录项（`.`表示当前目录）
 *       打开目录后需用closedir()关闭，避免资源泄漏
 */
DIR *opendir(const char *name);

关闭目录：closedir

功能

关闭指定目录。

函数

c 复制代码

/**
 * 关闭目录流（必须配对opendir使用）
 * @param dirp opendir返回的目录流指针
 * @return 成功返回0；失败返回-1，且设置errno
 */
int closedir(DIR *dirp);

切换工作目录：chdir

功能

将当前进程的 "工作目录" 切换到指定路径（类似终端的cd命令）。

关键说明

打开目录（opendir）≠ 进入目录（chdir）：只有切换到目标目录，才能正确读取目录内文件的属性（如用 stat 获取信息）。

函数

c 复制代码

#include <unistd.h>

/**
 * 切换当前工作目录
 * @param path 目标工作目录路径（绝对/相对路径均可）
 * @return 成功返回0；失败返回-1，且设置errno（如ENOENT表示路径不存在）
 * @example 如当前目录是"/home"，chdir("gec")后，工作目录变为"/home/gec"
 */
int chdir(const char *path);

/**
 * 获取当前工作目录（辅助函数）
 * @param buf 存储当前目录路径的缓冲区
 * @param size 缓冲区大小（需足够大，避免路径截断）
 * @return 成功返回buf（缓冲区地址）；失败返回NULL，且设置errno
 */
char *getcwd(char *buf, size_t size);

读取目录项：readdir

功能

从目录流中读取 "下一个目录项"（每个目录项对应一个文件 / 子目录）。

核心结构体：struct dirent

存储目录项信息，关键成员如下：

c 复制代码

struct dirent {
    ino_t  d_ino;       // 目录项对应的inode编号
    char   d_name[256]; // 文件名（以'\0'结尾，最长255字符）
    unsigned char d_type; // 文件类型（部分文件系统支持，如ext4）
    // d_type的常用取值：
    // DT_REG：普通文件   DT_DIR：目录   DT_LNK：符号链接   DT_UNKNOWN：未知类型
};

`d_type`宏定义	对应文件类型	说明与典型场景（含编程用途）
`DT_REG`	普通文件	最基础的文件类型，存储文本、二进制等实际数据（如`.c`源码、`.txt`文档、编译后的可执行文件），遍历目录时常用其筛选普通文件
`DT_DIR`	目录	用于索引子文件/子目录的特殊文件（如`/home`用户目录、`./test_dir`当前子目录），编程中通过它判断是否为目录以递归遍历
`DT_LNK`	符号链接（软链接）	指向其他文件/目录的"路径指针"（如`ln -s src_file link_file`创建的`link_file`），需注意链接可能指向不存在的路径（断链）
`DT_BLK`	块设备文件	以"固定大小块"为单位读写的硬件设备接口（如硬盘`/dev/sda`、分区`/dev/sda1`），常用于驱动或磁盘管理程序中识别块设备
`DT_CHR`	字符设备文件	以"字符流"为单位实时读写的硬件设备接口（如终端`/dev/tty`、键盘`/dev/input/event0`），适合处理键盘输入、串口通信等实时数据
`DT_FIFO`	命名管道（FIFO）	用于无亲缘关系进程间通信的特殊文件（如`mkfifo my_pipe`创建的`my_pipe`），可通过`read`/`write`函数实现进程间数据传递
`DT_SOCK`	套接字文件	支持本地或网络进程通信的文件（如`/var/run/docker.sock`），是本地套接字（`AF_UNIX`）的载体，常用于进程间跨网络或本地通信
`DT_UNKNOWN`	未知类型	当文件系统不支持`d_type`字段时返回（如部分老版本文件系统），需通过`stat`函数读取`st_mode`进一步判断实际类型

函数

c 复制代码

#include <dirent.h>
/**
 * 读取目录流中的下一个目录项
 * @param dirp opendir返回的目录流指针
 * @return 成功返回指向struct dirent的指针；失败/到目录末尾返回NULL
 * @note 目录末尾返回NULL时，errno不变；错误返回NULL时，errno被设置
 *       需过滤`.`（当前目录）和`..`（父目录），避免无限循环
 */
struct dirent *readdir(DIR *dirp);

删除文件 / 空目录：remove

功能

删除指定路径的普通文件，或删除空目录（功能覆盖 rmdir，且支持文件删除，更灵活）。

函数

c 复制代码

#include <stdio.h>
/**
 * 删除普通文件或空目录
 * @param pathname 要删除的文件/空目录路径（绝对/相对路径均可）
 * @return 成功返回0；失败返回-1，且设置errno（如ENOTEMPTY表示目录非空，ENOENT表示路径不存在）
 * @note 删除文件：直接删除普通文件、符号链接（仅删链接本身，不删目标文件）
 *       删除目录：仅能删除空目录，功能与rmdir一致
 *       无法删除非空目录（需先递归删除目录内内容）
 */
int remove(const char *pathname);

重置目录流：rewinddir

功能

将已打开的目录流指针重置到目录的 "第一个目录项"（即.的位置），支持目录内容的重复读取。

函数

c 复制代码

#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
/**
 * 重置目录流到起始位置
 * @param dirp opendir返回的目录流指针（必须是已打开的有效指针）
 * @return 无返回值（无失败状态，直接操作目录流）
 * @note 配合readdir使用：读完目录后调用rewinddir，再调用readdir可重新遍历目录
 *       重置后，下一次readdir会从第一个目录项（`.`）开始读取
 */
void rewinddir(DIR *dirp);

获取目录流当前位置：telldir

功能

获取目录流当前的读取位置，返回值为 "位置标识"，可用于后续seekdir定位。

函数

c 复制代码

#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
/**
 * 获取目录流当前的读取位置
 * @param dirp opendir返回的目录流指针（有效且已打开）
 * @return 成功返回当前位置的标识（off_t类型）；失败返回-1（部分系统可能不设置errno）
 * @note 返回的off_t值是" opaque值"（透明值），不要假设其具体含义（如不是字节偏移）
 *       仅用于传递给seekdir，实现目录流的定位，不可手动修改或计算
 *       目录流被修改（如rewinddir、readdir）后，之前的位置标识可能失效
 */
off_t telldir(DIR *dirp);

定位目录流：seekdir

功能

将目录流移动到telldir返回的指定位置，实现目录的 "随机读取"（而非只能顺序读取）。

函数

c 复制代码

#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
/**
 * 将目录流定位到指定位置
 * @param dirp opendir返回的目录流指针（有效且已打开）
 * @param offset 要定位的位置标识（必须是同一目录流通过telldir获取的值）
 * @return 无返回值（无失败状态，直接操作目录流）
 * @note offset必须来自同一目录流的telldir返回值，不可使用其他目录流的offset
 *       定位后，下一次readdir会从offset对应的目录项开始读取
 *       目录内容被修改（如新增/删除文件），定位结果可能不准确
 */
void seekdir(DIR *dirp, off_t offset);

示例

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
#include <string.h>
int main() {
    DIR *dirp = opendir(".");
    if (dirp == NULL) {
        perror("opendir failed");
        return -1;
    }

    struct dirent *entry;
    off_t save_pos; // 存储目录流位置

    // 遍历目录，找到"test.c"后保存位置
    printf("遍历目录，寻找test.c：\n");
    while ((entry = readdir(dirp)) != NULL) {
        printf("%s ", entry->d_name);
        if (strcmp(entry->d_name, "test.c") == 0) {
            save_pos = telldir(dirp); // 保存当前位置（下一个要读的目录项）
            printf("\n找到test.c，保存位置\n");
            break;
        }
    }

    // 继续读完剩余目录项
    printf("继续读取剩余目录项：\n");
    while ((entry = readdir(dirp)) != NULL) {
        if (strcmp(entry->d_name, ".") != 0 && strcmp(entry->d_name, "..") != 0) {
            printf("%s ", entry->d_name);
        }
    }
    printf("\n");

    // 定位到之前保存的位置，重新读取
    seekdir(dirp, save_pos);
    printf("定位到test.c之后，读取的目录项：\n");
    while ((entry = readdir(dirp)) != NULL) {
        if (strcmp(entry->d_name, ".") != 0 && strcmp(entry->d_name, "..") != 0) {
            printf("%s ", entry->d_name);
        }
    }
    printf("\n");

    closedir(dirp);
    return 0;
}

文件属性获取：stat 函数

功能

获取指定文件的详细属性（大小、权限、时间戳等），存储到struct stat结构体中。

核心结构体：struct stat

记录文件的完整属性，关键成员解析：

c 复制代码

struct stat {
    dev_t     st_dev;     // 文件所在设备的设备号
    ino_t     st_ino;     // 文件的inode编号
    mode_t    st_mode;    // 文件类型 + 文件权限（核心成员）
    nlink_t   st_nlink;   // 硬链接数量（默认1，创建硬链接时增加）
    uid_t     st_uid;     // 文件所有者的用户ID（如gec的UID可能是1000）
    gid_t     st_gid;     // 文件所属组的组ID
    off_t     st_size;    // 文件大小（字节数，普通文件有效）
    blksize_t st_blksize; // 系统IO块大小（通常4KB）
    blkcnt_t  st_blocks;  // 文件占用的512字节块数量
    // 时间戳（精确到纳秒）
    struct timespec st_atim; // 最后访问时间（如cat文件）
    struct timespec st_mtim; // 最后修改时间（如vim编辑保存）
    struct timespec st_ctim; // 最后状态变更时间（如chmod修改权限）
};

// 时间戳结构体：秒 + 纳秒
struct timespec {
    long tv_sec;  // 秒
    long tv_nsec; // 纳秒（1秒=10^9纳秒）
};

函数

c 复制代码

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
/**
 * 获取文件的属性（跟随符号链接）
 * @param path 目标文件路径（绝对/相对路径）
 * @param buf 指向struct stat的指针，用于存储文件属性
 * @return 成功返回0；失败返回-1，且设置errno
 * @note 若path是符号链接，stat()获取的是链接指向的文件属性
 */
int stat(const char *path, struct stat *buf);

/**
 * 获取文件的属性（不跟随符号链接）
 * @param path 目标文件路径（可是符号链接）
 * @param buf 指向struct stat的指针
 * @return 成功返回0；失败返回-1，且设置errno
 * @note 若path是符号链接，lstat()获取的是符号链接本身的属性
 */
int lstat(const char *path, struct stat *buf);

st_mode 解析：文件类型与权限

st_mode是 32 位整数，高 4 位表示文件类型 ，低 9 位表示文件权限。

文件类型判断（用系统宏）

宏定义	功能说明（含对应 `d_type`、典型场景与编程细节）
`S_ISREG(st_mode)`	判断是否为普通文件（对应 `DT_REG`）；典型如 `.c` 源码、`.txt` 文档、编译后的可执行程序；编程中用于筛选需读写的实际数据文件，需结合 `stat`/`fstat` 获取的 `st_mode` 使用
`S_ISDIR(st_mode)`	判断是否为目录（对应 `DT_DIR`）；典型如 `/home` 用户目录、`./test_subdir` 子目录；核心用于目录递归遍历（如遍历文件夹时，先判断是否为目录再调用 `opendir` 进入）
`S_ISLNK(st_mode)`	判断是否为符号链接（对应 `DT_LNK`）；典型如 `ln -s src_file link_file` 创建的软链接；注意：默认 `stat` 会跟随链接获取目标文件属性，需用 `lstat` 才能获取链接本身的 `st_mode`
`S_ISBLK(st_mode)`	判断是否为块设备（对应 `DT_BLK`）；典型如硬盘 `/dev/sda`、分区 `/dev/sda1`、U盘 `/dev/sdb`；常用于磁盘管理工具、驱动程序中识别块设备，以便进行分区、格式化操作
`S_ISCHR(st_mode)`	判断是否为字符设备（对应 `DT_CHR`）；典型如终端 `/dev/tty`、键盘 `/dev/input/event0`、串口 `/dev/ttyUSB0`；适合在串口通信、终端交互程序中判断字符设备，处理实时字符流数据
`S_ISFIFO(st_mode)`	判断是否为命名管道（对应 `DT_FIFO`）；典型如 `mkfifo my_pipe` 创建的管道文件；用于无亲缘关系进程间通信（如 shell 脚本与 C 程序间传递数据），编程中需通过 `read`/`write` 操作管道
`S_ISSOCK(st_mode)`	判断是否为套接字文件（对应 `DT_SOCK`）；典型如 `socket` 函数创建的本地套接字（如 `/var/run/docker.sock`）、网络套接字；核心用于网络编程或本地进程间通信（如 `AF_UNIX` 域套接字场景）

文件权限判断（用系统宏）

权限分为三类：所有者（u）、所属组（g）、其他用户（o），每类 3 位（r 读、w 写、x 执行）。

宏定义	权限说明（主体+操作）	八进制值	核心用途（编程场景）	注意事项（权限依赖/风险）
`S_IRUSR`	文件所有者（User）拥有读取文件内容的权限	`0400`	单独使用或与其他宏组合，设置文件所有者的读权限（如 `S_IRUSR	S_IWUSR` 表示所有者读写）
`S_IWUSR`	文件所有者（User）拥有修改文件内容的权限	`0200`	常用于创建可修改的文件（如配置文件），避免所有者无写入权限导致操作失败	给"其他用户"时风险极高（如 `S_IWOTH`），需严格控制
`S_IXUSR`	文件所有者（User）拥有执行文件的权限（仅对程序有效）	`0100`	编译可执行程序后必设（如 `gcc 编译后，用 S_IRUSR	S_IXUSR` 让所有者能读且执行）
`S_IRGRP`	文件所属组（Group）拥有读取文件内容的权限	`0040`	多用户协作场景（如团队共享文档），让同组成员可读取但不修改	同"所有者读权限"，是组"执行权限"的前提
`S_IWGRP`	文件所属组（Group）拥有修改文件内容的权限	`0020`	需同组多人编辑的文件（如项目源码），需谨慎使用，避免误修改	非协作场景建议关闭（如系统程序的组权限）
`S_IXGRP`	文件所属组（Group）拥有执行文件的权限（仅对程序有效）	`0010`	同组用户需共同执行的程序（如团队内部工具），需组合 `S_IRGRP	S_IXGRP`（读+执行）
`S_IROTH`	其他用户（Others）拥有读取文件内容的权限	`0004`	公开可读的文件（如系统配置文件 `/etc/profile`），或作为"其他用户执行"的前提	常规程序给"其他用户执行"时，必须搭配此权限
`S_IWOTH`	其他用户（Others）拥有修改文件内容的权限	`0002`	严禁常规场景使用，仅特殊共享场景（如临时协作文件夹）临时设置，且需配合严格的文件监控	给所有用户写入权限会导致文件被随意篡改、删除，风险极高
`S_IXOTH`	其他用户（Others）拥有执行文件的权限（仅对程序有效）	`0001`	系统公共工具（如 `/bin/ls`），需组合 `S_IROTH	S_IXOTH`（读+执行），实现"可执行不可修改"

综合案例：读取目录并输出文件信息

功能：通过命令行参数传入目录路径，读取目录下所有文件，输出文件名、inode 编号、文件类型。

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
    // 检查命令行参数（需传入目录路径）
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "用法：%s <目录路径>\n", argv[0]);
        return -1;
    }
    const char *dir_path = argv[1];

    // 打开目录
    DIR *dirp = opendir(dir_path);
    if (dirp == NULL) {
        perror("opendir failed");
        return -1;
    }

    // 切换到目标目录（确保stat能正确获取属性）
    if (chdir(dir_path) == -1) {
        perror("chdir failed");
        closedir(dirp); // 失败前关闭目录流
        return -1;
    }

    // 循环读取目录项
    struct dirent *dir_entry;
    struct stat file_stat;
    while ((dir_entry = readdir(dirp)) != NULL) {
        // 过滤`.`（当前目录）和`..`（父目录）
        if (strcmp(dir_entry->d_name, ".") == 0 || strcmp(dir_entry->d_name, "..") == 0) {
            continue;
        }

        // 获取文件属性
        if (stat(dir_entry->d_name, &file_stat) == -1) {
            perror("stat failed");
            continue; // 跳过获取失败的文件
        }

        // 解析文件类型
        const char *file_type;
        if (S_ISREG(file_stat.st_mode)) {
            file_type = "普通文件";
        } else if (S_ISDIR(file_stat.st_mode)) {
            file_type = "目录";
        } else if (S_ISLNK(file_stat.st_mode)) {
            file_type = "符号链接";
        } else if (S_ISBLK(file_stat.st_mode)) {
            file_type = "块设备";
        } else if (S_ISCHR(file_stat.st_mode)) {
            file_type = "字符设备";
        } else {
            file_type = "未知类型";
        }

        // 输出文件信息
        printf("inode: %-8ld  类型: %-8s  文件名: %s\n", 
               file_stat.st_ino, file_type, dir_entry->d_name);
    }

    // 检查readdir是否因错误返回NULL
    if (errno != 0) {
        perror("readdir failed");
        closedir(dirp);
        return -1;
    }

    // 关闭目录流（资源释放）
    closedir(dirp);
    return 0;
}

编译与运行

bash 复制代码

# 编译
gcc dir_scan.c -o dir_scan
# 运行（读取当前目录）
./dir_scan .
# 运行（读取/home/gec目录）
./dir_scan /home/gec