Linux程序设计(3) Linux Programming
2023-08-09 14:53:19 # NJU # Linux程序设计

Linux Programming Prerequisite

File System

1. What is File and File System?

文件：可以写入或读取或两者兼有的对象。文件具有某些属性，包括访问权限和类型。

文件系统：文件及其某些属性的集合。它为引用这些文件的文件序列号提供了名称空间。

1.1 文件系统的多种含义

  1. 指一种特定的文件格式。例如，我们说Linux的文件系统是Ext2，MSDOS的文件系统是FATI6，而Windows NT的文件系统是NTFS或FAT32，就是指这个意思。
  2. 指按特定格式进行了”格式化”的一块存储介质。当我们说”安装”或”拆卸”一个文件系统时，指的就是这个意思。
  3. 指操作系统中(通常在内核中)用来管理文件系统以及对文件进行操作的机制及其实现，这就是本章的主要话题

1.2 文件类型与结构

文件类型

  1. 普通文件(regular file)
  2. 字符型设备文件(character special file)
  3. 块型设备文件(block special file)
  4. 管道(fifo)
  5. 网络接口(socket)
  6. 符号链接(symbolic link)
  7. 目录(directory)：该目录中的文件列表

文件结构：字节流，没有特别的内部结构

1.3 Linux中的文件系统

Virtual File system Switch (VFS)

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VFS模型（会考）

虚拟；仅存在于内存中

组件：

  • 超级块(super block)：某一个磁盘的某一个分区的文件系统的信息
    • 记录文件系统类型
    • 记录文件系统的参数
  • i-node 对象(i-node object)：index
    • 记录的是真正的文件，文件存储在磁盘上时是按照索引号访问文件的
  • 文件对象(file object)
    • 记录的是文件描述符，索引号
    • 不对应真正的文件，文件open后会创建出文件对象。
    • 文件没有close，则内核中的文件对象就没有释放
    • fd 是文件对象数组的下标
  • 目录对象(dentry object)

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Ext2 File System（不考）

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1.4 硬链接和符号链接

Hard link

  1. 不同的文件名对应同一个inode
  2. 不能跨越文件系统
  3. 对应系统调用link

Symbolic link

  1. 存储被链接文件的文件名(而不是inode)实现链接
  2. 可跨越文件系统
  3. 对应系统调用symlink

为了显示文件的可访问权限，我们在使用 ls 命令的时候同时使用 -l 参数

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2. 系统调用和库函数

都以C函数的形式出现

系统调用：Linux内核的对外接口; 用户程序和内核之间唯一的接口; 提供最小接口

库函数：依赖于系统调用; 提供较复杂功能

  • 例：标准I/O库

2.1 无缓冲 I/O 和缓冲 I/O

Unbuffered I/O

  • read/write -> System calls
  • File descriptor
  • Not in ANSI C, but in POSIX.1 and XPG3

Buffered I/O

  • 在标准I/O库实现
  • 处理很多细节, 如缓存分配, 以优化长度执行I/O等
  • Stream -> a pointer to FILE

2.2 Basic I/O System Calls

文件描述符

标准I/O

  1. open/creat, close, read, write, lseek
  2. dup/dup2
  3. fcntl
  4. ioctl

文件描述符

File descriptor

  • 一个小的非负整数：int fd;
  • (在<unistd.h>中)
    • STDIN_FILENO(0)
    • STDOUT_FILENO(1)
    • STDERR_FILENO(2)

文件操作的一般步骤：open - read/write - [lseek] - close

/* a rudimentary example program */
#include <fcntl.h>
main(){
   int fd, nread;
   char buf[1024];
   /*open file "data" for reading */
   fd = open("data", O_RDONLY);
   /* read in the data */
   nread = read(fd, buf, 1024);
   /* close the file */
   close(fd); // 关闭的时候也用文件描述符关闭，释放句柄
}

open/creat 函数

  1. 打开和建立一个文件或设备
  2. C语言不能够重载，为什么会有2个open？并不是通过重载实现的，两个open是以一个函数的形式提供的，C语言提供了变长参数的函数机制（...）。
#include <sys/types.h> // sys:linux系统下提供的头文件
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

// open 也可以创建文件，覆盖了creat的所有功能
// pathname 含路径的文件名
// flags 标志位，是一串二进制数字，可以进行按位或操作，所以是int类型
// mode 文件权限
int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
// 创建文件的系统调用接口
// flag 默认为只写O_WRONLY和清零O_TRUNC
int creat(const char *pathname, mode_t mode);
// (Return: a new file descriptor if success; -1 if failure)

参数 “flags”

“flags”：文件访问方式

O_RDONLY，O_WRONLY或O_RDWR中的一个请求分别按以下方式对文件进行只读，只写或读/写操作，这些操作按零或多个进行按位或运算（全部在/usr/include/fcntl.h中定义 ）

  • O_APPEND：以附加模式打开文件
  • O_TRUNC：如果文件已经存在并且是常规文件，并且打开方式允许写入，则会将其长度截断为0。
  • O_CREAT：如果文件不存在，将创建它。
  • O_EXCL：与O_CREAT一起使用时，如果文件已存在，则为错误，打开失败。

“creat”函数：相当于以等于O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC的标志打开

参数 “mode”

mode：指定在创建新文件的情况下使用的权限

需要多个权限的话，也是按位或。S_IRUSR|S_IWUSR就表示rw-。

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umask：一种文件保护机制

新文件的初始访问方式：mode和~umask

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close 函数

fcntl 函数

Manipulate a file descriptor

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock);//可以对文件加锁
//(返回值: 若成功则依赖于cmd，若出错为-1)

The‏ operation‏ is‏ determined ‏by‏”cmd”.

The‏ value‏ of‏”cmd”

  • F_DUPFD：Duplicate a file descriptor
  • F_GETFD/F_SETFD：‏Get/set ‏the‏ file ‏descriptor’s close-on exec flag
    • 执行时是否关闭，文件描述符能否从父进程传递到子进程。
  • F_GETFL/F_SETFL：Get/set ‏the‏ file ‏descriptor’s ‏flags
  • F_GETOWN/F_SETOWN：Manage I/O availability signals
  • F_GETLK/F_SETLK/F_SETLKW：Get/set the file lock

Example：dup/dup2 and fcntl

//file:fcntl
int main()
{
    pid_t pid;
    fd = open( "test.txt",O_RDWR|O_APPEND);
    if (fd == -1)
    ##printf("open err/n");
    printf("fd = %d",fd);
    printf("fork!/n");
    fcntl(fd，F_SETFD, 1);
    char *s="ooooooooooooooooooo";
    pid = fork();
    if(pid == 0)
    	execl("ass", "./ass", &fd, NULL);
    wait(NULL);
    write(fd,s,strlen(s));
    close(fd);
    return 0;
}
//ass 源代码
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    printf("argc = %d",argc);
    fd = *argv[1];
    printf("fd = %d",fd);
    char *s = "zzzzzzzzzzzzzzzzzzz";
    write(fd，(void *)s, strlen(s));
    close(fd);
    return 0;
}
  1. pid保存进程id(可以理解为int类型，linux下做了类型的重定义)
  2. if(fd == -1)：异常处理(文件打开失败)
  3. fcntl(fd, F_SETFD, 1);这里将close-on-exec flag设置为true，所以调用execl的时候，fd会关闭。
  4. fork()：Linux下很特别的系统调用，是用来创建进程的；复制一份父进程，作为父进程的子进程。(注意：被启动的子进程，就从fork()之后继续执行；子进程并不重复执行，某种程度上子进程和父进程是完全一样的；只有fork()系统调用的返回值不一样)
  5. 父进程fork()函数的返回值就是子进程的pid，而子进程fork()函数的返回值是0。
  6. 子进程是复制了父进程，所以这里子进程有fd这个文件描述符。
  7. exec系列函数的使用
    1. 用另外一个程序代替当前进程，不会新开进程(用当前进程执行新的程序)
    2. 启动一段新的程序，将新程序的内存覆盖掉当前进程的内存。
    3. 如果没有fork就执行execl，则当前shell的进程没有了(呗新的程序占用了)
  8. 注意：
    1. 这里是pid==0，才会执行execl。所以是子进程执行了这个execl。
    2. execl("ass", "./ass", &fd, NULL)：传递的是fd所在地址，这里是int类型的地址，而execl函数要求的传输类型是char类型的地址，所以这里是类型转换。(但是这里的fd的值不能太大，因为是按照char类型读取的，所以fd的值在128以内应该没有问题)
    3. wait(NULL)：父进程就在这里等待，直到子进程执行完ass
    4. 最后的执行结果：test.txt文件中只会有”ooooo”，不会有”zzzzz”

ioctl 函数

控制设备驱动

#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int d, int request, ...);

2.3 Standard I/O Library

  • File stream
  • Standard I/O functions

File stream

流和”FILE”结构

  • FILE * fp;
  • 预定义指针：stdin, stdout, stderr(封装了012号文件描述符)

缓冲I/O

  • 三类缓冲
    1. 全缓冲
    2. 行缓冲
    3. 无缓冲
  • setbuf/setvbuf 函数

Stream Buffering Operations

Three types of buffering

  • block buffered (fully buffered)‏
  • line buffered
  • unbuffered

setbuf, setvbuf functions

#include <stdio.h>
void setbuf(FILE *stream, char *buf);
int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int type, size_t size);

type：_IOFBF(满缓冲）_IOLBF(行缓冲） _IONBF(无缓冲）

Standard I/O functions

Stream open/close

Stream read/write

  • 每次一个字符的I/O
  • 每次一行的I/O
  • 直接I/O(二进制I/O)‏
  • 格式化I/O

Stream reposition

Stream flush

Stream open/close

Open a stream

#include <stdio.h>
FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
int fclose(FILE *stream);

Parameter‏”mode”

  • "r"：Open text file for reading.
  • "w"：Truncate file to zero length or create text file for writing.
  • "a"：Open for appending(追加).
  • "r+"：Open for reading and writing.
  • "w+"：Open for reading and writing. The file is created if it does not exist, otherwise it is truncated.
  • "a+"：Open for reading and appending. The file is created if does not exist.

Close a stream

#include <stdio.h>
int fclose(FILE *fp);
// (Return: 0 if success; -1 if failure)

Input of a character

#include <stdio.h>
int getc(FILE *fp);
int fgetc(FILE *fp);
int getchar(void);
// (Result: Reads the next character from a stream and returns it as an unsigned char cast to an int, or EOF on end of file or error.)

Three functions：ferror, feof, clearerr

ungetc function：push a character back to a stream

Output of a Character

#include <stdio.h>
int putc(int c, FILE *fp);
int fputc(int c, FILE *fp);
int putchar(int c);
// (Return: the character if success; -1 if failure)

Input of a Line of String

#include <stdio.h>
char *fgets(char *s, int size, FILE *stream);
char *gets(char *s); //not recommended.

fgets：最多从流中读 size-1 字节并存储到 s 指向的缓冲区，读到 EOF或新行结束，“\0” 会存储到缓冲区结尾

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