文件系统实验

【预备知识】

1.文件系统的文件类型

为了便于用户利用终端进行输入和输出，UNIX系统做了专门安排。UNIX系统自动为用户打开3个文件：标准输入、标准输出和标准错误输出文件，文件描述符分别为0、1、2，缺省时，这些文件是重定向到终端的。

LINUX系统问价有如下的分类

宏	文件类型
S_IFREG	普通文件
S_IFDIR	目录文件
S_IFCHR	字符设备文件
S_IFBLK	块设备文件
S_IFIFO	有名管道文件
S_IFLNK	符号链接文件
S_IFSOCK	网络套接字文件

普通文件、目录文件、符号链接文件、有名管道文件、字符设备和块设备文件等。文件的分类主要由其I节点中的i_mode给出。为了能够检查每个文件的类型，Linux系统在sys/stat.h中定于了文件类型struct stat，并用宏定义来解决文件的类型，每个宏的参数就是结构stat中的st_mode的值。表1给出sys/stat.h中定义的文件类型的宏：

Linux系统在sys/stat.h中定义了文件类型struct stat，其定义如下：

表1  宏

struct stat

{

dev_t st_dev; ／*文件所在设备；主次设备号*／

ino_t st_into; ／*inode*／

mode_t st_mode; ／*protection  mode*／

nlink_t st_nlink; ／*number of hard links*／

uid_t st_uid; ／*user ID of owner*／

gid_t st_gid; ／*group ID of ower*／

dev_t st_rdev; ／*device type（if inode device）*／

off_t st_size; ／*total size, in bytes*／

blksize_t st_blksize; ／*blocksize for filesystem I/O*／

blkcnt_t st_blocks; ／*number of blocks allocated*／

time_t st_atime; ／*time of last access*／

time_t st_mtime; ／*time of last modification*／

time_t st_ctime;   ／*time of last change*／

}

2.文件系统的有关系统调用

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <unistd.h>

int stat(const char * file_name，struct stat * buf);

int fstat(int filedes，struct stat*buf);

int lsrant(const char * name，struct stat * buf);

这些函数返回有关指定文件的信息。使用这些命令，不需要对文件有任何权限，只需要对指定目录有检索权限。

stat（）函数统计由文件名指定的文件信息，并填充到以steuct stat为结构的buf中；

lstat（）函数与stat（）函数功能一样，只是仅仅统计文件的符号链接时有所不同。

fstat（）函数与stat（）函数功能一样，只是仅仅统计被打开的文件的类型。

3.创建新文件creat()

LINUX系统把所有文件都看成无结构的字符流式的文件，如果特定的应用中使用了某种类型的数据结构，只能由程序员对数据增加相应的结构。这样使得UNIX对文件的接口变得特别简单。

创建一个新文件要使用如下的语句序列：

#include<sys/ types.h >

#include<sys/ stat.h >

#include<sys/ fcntl.h >

Int open(const char * pathname ,int oflg[，mode_t mode])；

返回值：如果正确创建，返回文件的描述符；否则返回-1。

pathname是要创建文件的路径名。创建文件时，文件只能以只写方式打开，mode用来规定该文件的拥有者，小组用户及其他用户的访问权限。要求用按位逻辑加对下列符号常量(这些符号常量定义在sys/stat.h中)进行所需的组合；

S_IRUSR /*文件拥有者的读权限位，即0400*/

S_IWUSR /*文件拥有者的写权限位，即0*200*/

S_IXUSR /*文件拥有者的执行权限位，即0100*/

S_IRGRP /*小组用户的读权限位，即0040*/

S_WGRP /*小组用户的写权限位，即0200*/

S_IXGRP /*小组用户的执行权限位，即0010*/

S_IROTH /*其他用户的读权限位，即0004*/

S_IWOTH/*其他用户的写权限位，即0002*/

S_IXOTH /*其他用户的执行权限位，即0001*/

3个有用的按位加组合定义如下：

S_IRWXU定义为（S_IRUSR|S_IWUSR|S_IXUSR）/*即0700*/

S_IRWXG定义为（S_IRGRP|S_IWGRP|S_IXGRP）/*即0070*/

S_IRWXO定义为（S_IROTH|S_IWOTH|S_IXOTH）/*即0007*/

创建文件时，若文件已经存在，只要执行进程对文件所在目录有执行权，并对该文件有写权，系统使原文件的长度置0，释放文件占用的磁盘块，同时保持原文件的mode不变。

4.删除文件unlink() 

一个文件可以有多个路径，也即一个inode可能链接多个文件的目录项。系统调用unlink()的作用就是删除指定的目录项。也即将inode中的链接计数nlink减1.若链接计数减1后为0，且无进程正在使用，立即删除该文件（即释放文件的目录项，inode和文件占用的磁盘块），此后，文件不再存在；若链接计数减1后为0，且有进程正在使用，则立即返回，等进程使用完后，再删除；若链接计数减1后不为0，则立即返回。

5.打开文件open()

打开文件使用和creat()相同的头文件序列；

#include<sys/ types.h >

#include<sys/ stat.h >

#include<sys/ fcntl.h >

Int open(const char * pathname ,int oflg[，mode_t mode])；

返回值：如果正确打开，返回文件的描述符；否则返回-1.

其中，参数pathname是待打开的文件路径名；参数oflg规定了打开文件方法；仅当打开的文件不存在，需创建时，才使用mode这个参数规定文件的拥有者、小组用户、其他用户对新文件的访问方式。参数oflg可能的取值为下列3个值之一；

O_RDONLY : 以只读方法打开；

O_WRONLY：以只写方法打开；

O_RDWR;以读写方法打开。

该系统调用还允许将oflg与下列标志值进行按位逻辑加，以扩充其功能；

O_APPEND；当为(O_WRONLY | O_APPEND)时，打开文件允许向文件尾追加写；否则为覆盖写，即从文件头写。

O_CREAT；当为(O_WRONLY | O_CREAT)时，若打开的文件不存在，则创建文件，且必须带有参数mode，以规定文件的拥有者、小组用户、其他用户对新文件的访问方式。

O_EXCL；当为(O_WRONLY | O_CREAT | EXCL)时，若打开的文件不存在，则创建文件，且必须带有参数mode，以规定文件的拥有者、小组用户、其他用户对新文件的访问方式。当打开的文件存在时，则出错。使用这个参数可用来检查文件是否已经存在。

O_TRUNC；当为(O_RDWR | O_TRUNC) 或(O_WRONLY | O_TRUNC)时，将文件的长度截成0，文件的属性不变。

O_SYNC:文件以同步方式打开。若文件以同步方式打开时，进程每次进行write()调用时，都立即修改文件，即进程等待write()调用完成后才能继续执行。

6．文件关闭close()

文件关闭的系统调用格式如下：

# include <unistd.h>

int close( int fd);

其中，fd为文件的文件描述符。

返回值：成功时为0，失败时为-1.

7．读文件read()和写文件write()

任何文件在读写之前，必须先打开。文件被成功打开时，返回文件的描述符。只要文件是用O_RDONLY或O_RDWR或O_WRONLY标志打开，就可以用read()或write()系统调用从文件中读或向文件中写若干字节。这两个系统调用可能使用的语句序列如下：

# include <unistd.h>

ssize_t read( int fd, void * buf, size_t nbytes);

或

ssize_t write( int fd, conts void * buf, size_t nbytes);

返回：正确是为0或读写的字节数；错误时为-1.

其中，fd为文件的描述符，buf为读出货写入文件数据的字节数组，第三个参数是要传送的字节个数。例如：

Internet fd,n,nread,nwrite;

char buf[size];

nread=read(fd,buf,n)

或

nwrite=write(fd,buf,n);

进行读时，nread为读函数执行完后返回的字节数。返回的字节数可以少于要求读的字节数。当文件为终端时，一般read只读到下一个换行符为止。通常要少于请求的字节数。当返回值为0时，表明文件结束。-1表明出现了错误。如果文件尺寸不是buf的整倍数，某次read命令将返回一个较小的数，这一数即为write命令写入的字节数；下一次调用read时，将返回0。

进程写时，返回值为实际写的字节数；如果返回值与实际写的字节数不相等时，则出现错误。

磁盘缓冲块尺寸为512字节或1024字节（可参看stdio.h中的定义）。

7．文件的随机存取lseek(int fd,long off,int sbase)

#include<unistd.h>

#include<sys/types.h>

Int lseek(int fd,long off,int sbase);

Sbase的可能取值对文件读写指针的影响如下:

SEEK_SET=0,文件的读写指针置为off;

SEEK_CUR=1,文件的读写指针置为off+当前文件的读写

编程实现例<一>

【任务】

利用表1给出的宏来检查给定文件的类型。

【程序】

#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include “unistd.h”int main(int argc，char * argv[]){int I;struct stat bf;char * ptr;for (i=1,i<argc;i++){printf(“%s:”,argv[i]);if (lstat(argv[i],&bf)<0)//统计符号链接本身的信息{printf(“lstat error”);Continue;}If  ((S_IFMT & bf.st_mode)==S_IFREG)Ptr=“regular”;/*else if ((S_IFMT&bf.st_mode)==S_IFDIR)Ptr=“directory”;else if ((S_IFMT&bf.st_mode)==S_IFCHR)Ptr=“character special device”;else if ((S_IFMT&bf.st_mode)==S_IFBLK)Ptr=“block special device”;else if ((S_IFMT&bf.st_mode)==S_IFFIFO)Ptr=“pipe special file”;*/ElsePtr=“****unknown file mode***”;Printf(“%s:\n”,ptr);}Exit(0);}

修改后代码：

【运行结果】

编程实现例<二>

【任务】

cat命令的简单实现，完成从键盘复制到终端显示器。

【程序】

# include <unistd.h># define SIZE 512main(){char buf[SIZE];int n;while((n = read(0,buf,sise of buf))>0)write(1,buf,n);exit(0);}

修改后代码：

【运行结果】

【分析】

编程实现例<三>

【任务】

open和create系统调用的使用。一个用C语言的复制文件的例子。

【程序】

#include <stdio.h>#include <sys/types.h>#defin PERM 0644   /*rw for owner,r for group and other*/char * progname;main(argc,argv)int argcchar * argv[];{int f1,f2,n;char buf[BUFSIZ];progname = argv[0];if (argc! = 3)printf(“Usage:%s from to”,progname);if(f1 = open(argv[1],0)==-1)printf(“can’t open %s”, argv[1]);if（（f2=creat(argv[2]，PERM)—1）printf(“can’t creat %s”,argv[2]);while((n=read(f1,buf,BUFSIZ))>0)if (write(f2,buf,n)! =n)printf(“write error”,(char  * )0);close(f1);close(f2);exit(0);}

修改后代码：

【运行结果】

编程实现例<四>

【任务】

请编写一个程序，采用随机读写文件的系统调用，从文件的某个位置开始对文件进行读或写。

【程序】

#include<unistd.h>#include<sys/types.h>Main(int argc,char * argv[]){If((fd=open(argv[1],O_RDONLY))==-1)exit(1);lseek(fd,184L,0);where=lseek(fd,0L,1);printf(“NOW new pointer value is %d.\n”,where);while((where=read(fd,&cl,1==1){printf(“ %c,”,cl);}Printf(“.\n”);}

修改后代码：

【运行结果】

总结：

   在实验中，我利用代码模拟了文件系统的基本操作，包括文件的创建、打开、读写、关闭和删除等。通过深入使用系统调用，如open、read、write、close等，我得以深刻体验到Linux内核与文件系统之间的交互过程。这一过程中，我不仅了解到了这些基本操作在内核中的实现细节，还感受到了Linux系统对于文件管理的严谨性和高效性。在文件随机访问的实验环节，我使用lseek系统调用来移动文件指针，从而实现了对文件任意位置的读写操作。