操作系统--文件系统

实验目的

1、 熟悉Linux文件系统的文件和目录结构，掌握Linux文件系统的基本特征；

2、模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件。

实验内容

1、浏览Linux系统根目录下的子目录，熟悉每个目录的文件和功能；

2、设计程序模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件。

实验原理

1、Linux各种发行版的目录结构基本一致，各个目录简单介绍如下：

目录	描述
/	根目录
/bin	做为基础系统所需要的最基础的命令就是放在这里。比如 ls、cp、mkdir等命令；功能和/usr/bin类似，这个目录中的文件都是可执行的，普通用户都可以使用的命令。
/boot	Linux的内核及引导系统程序所需要的文件，比如 vmlinuz initrd.img 文件都位于这个目录中。在一般情况下，GRUB或LILO系统引导管理器也位于这个目录；启动装载文件存放位置，如kernels,initrd,grub。一般是一个独立的分区。
/dev	一些必要的设备,声卡、磁盘等。还有如 /dev/null. /dev/console /dev/zero /dev/full 等。
/etc	系统的配置文件存放地. 一些服务器的配置文件也在这里；比如用户帐号及密码配置文件；/etc/opt:/opt对应的配置文件；/etc/X11:Xwindows系统配置文件；/etc/xml:XML配置文件……
/home	用户工作目录，和个人配置文件，如个人环境变量等，所有的账号分配一个工作目录。一般是一个独立的分区。
/lib	库文件存放地。bin和sbin需要的库文件。类似windows的DLL。
/media	可拆卸的媒介挂载点，如CD-ROMs、移动硬盘、U盘，系统默认会挂载到这里来。
/mnt	临时挂载文件系统。这个目录一般是用于存放挂载储存设备的挂载目录的，比如有cdrom 等目录。可以参看/etc/fstab的定义。
/opt	可选的应用程序包。
/proc	操作系统运行时，进程（正在运行中的程序）信息及内核信息（比如cpu、硬盘分区、内存信息等）存放在这里。/proc目录伪装的文件系统proc的挂载目录，proc并不是真正的文件系统，它的定义可以参见 /etc/fstab 。
/root	Root用户的工作目录
/sbin	和bin类似，是一些可执行文件，不过不是所有用户都需要的，一般是系统管理所需要使用得到的。
/tmp	系统的临时文件，一般系统重启不会被保存。
/usr	包含了系统用户工具和程序。/usr/bin：非必须的普通用户可执行命令;/usr/include：标准头文件; /usr/lib:/usr/bin/ 和 /usr/sbin/的库文件; /usr/sbin:非必须的可执行文件;/usr/src:内核源码;/usr/X11R6:X Window System, Version 11, Release 6.
/srv	该目录存放一些服务启动之后需要提取的数据

2、Linux的文件结构是单个的树状结构.可以用tree进行展示。文件操作命令见附录1，

3、Linux文件系统：Linux 中允许众多不同的文件系统共存，如 ext2, ext3, vfat 等。通过使用同一套文件 I/O 系统 调用即可对 Linux 中的任意文件进行操作而无需考虑其所在的具体文件系统格式；更进一步，对文件的 操作可以跨文件系统而执行。“一切皆是文件”是 Unix/Linux 的基本哲学之一。不仅普通的文件，目录、字符设备、块设备、 套接字等在 Unix/Linux 中都是以文件被对待；它们虽然类型不同，但是对其提供的却是同一套操作界面。

4、虚拟文件系统（Virtual File System, 简称 VFS）， 是 Linux 内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口；同时，它也提供了内核中的一个 抽象功能，允许不同的文件系统共存。系统中所有的文件系统不但依赖 VFS 共存，而且也依靠 VFS 协同工作。为了能够支持各种实际文件系统，VFS 定义了所有文件系统都支持的基本的、概念上的接口和数据 结构；同时实际文件系统也提供 VFS 所期望的抽象接口和数据结构，将自身的诸如文件、目录等概念在形式 上与VFS的定义保持一致。换句话说，一个实际的文件系统想要被 Linux 支持，就必须提供一个符合VFS标准 的接口，才能与 VFS 协同工作。实际文件系统在统一的接口和数据结构下隐藏了具体的实现细节，所以在VFS 层和内核的其他部分看来，所有文件系统都是相同的。

5、利用C库函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose() 来实现简单的文件备份， 即将一个文件的内容拷贝到另一个文件中去。

实验中使用到的系统调用函数

实验只是模拟实现文件的备份功能，不需要系统调用函数。

实验要求

1. 对文件系统命令和库函数要提前熟悉；

2. 画出备份文件的过程图；

3. 

4. 测试数据文件提前准备好；
   

5. 编写程序并调试；

//test.c

#include 
#include 
#include 


#define BUFFER_SIZE 4
#define SOURCE_FILE "./source.txt"
#define BACKUP_FILE "./backup.txt"


int main()
{
	char buffer[BUFFER_SIZE];  //建立缓冲区

	FILE* sf, * bf;   // FILE结构指针

	sf = fopen(SOURCE_FILE, "rt+"); // 以读的方式打开source.txt
	bf = fopen(BACKUP_FILE, "wt+"); // 以写的方式打开backup.txt

	if (sf)
	{
		printf("success in opening source file.\n");
	}
	else
	{
		printf("Error in opening source file.\n");
		exit(1);
	}

	if (bf)
	{
		printf("success in opening backup file.\n");
	}
	else
	{
		printf("Error in creating backup file.\n");
		exit(1);
	}

	while (fread(buffer, BUFFER_SIZE, 1, sf))  // 用fread函数读取source.txt一个BUFFER_SIZE大小的数据到缓冲区
	{
		if(!fwrite(buffer, BUFFER_SIZE, 1, bf)) // 用fread函数讲一个BUFFER_SIZE大小的缓冲区数据写入backup
		{
			printf("Error in writing file.\n");
                       exit(1);
		}
	}
	
	printf("backup backup.\n");
	
	// 关闭流
	if (fclose(sf))
	{
		printf("Error in close source file.\n");
		exit(1);
	}
	else
	{
		printf("success in close source file.\n");
	}

	if (fclose(bf))
	{
		printf("Error in close backup file.\n");
		exit(1);
	}
	else
	{
		printf("success in close backup file.\n");
	}

	return 0;
}

//test1.c
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define BUFFER_SIZE 4
#define SOURCE_FILE "./source.txt"
#define BACKUP_FILE "./backup1.txt"

int main()
{
	char buffer[BUFFER_SIZE];
	int sf, bf;
	long  long  ret;

	sf = open(SOURCE_FILE, 0);
	bf = open(BACKUP_FILE, O_WRONLY | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);

	if (sf == -1) 
	{
		printf("Error in opening source file.\n");
		exit(1);
	}
	if (bf == -1) 
	{
		printf("Error in creating backup1 file.\n");
		exit(1);
	}


	while ((ret = read(sf, buffer, BUFFER_SIZE)) != 0)
	{
		if (ret == -1) 
		{
			printf("Error in reading file.\n");
			exit(1);
		}
		int status = write(bf, buffer, ret);
		if (status == -1) 
		{
			printf("Error in writing file.\n");
			exit(1);
		}
	}
	
	printf("sbackup in backup1.\n");
	
	if (close(sf) == -1) 
	{
		printf("Error in close source file.\n");
		exit(1);
	}
	else
	{
		printf("success in close source file.\n");
	}
	
	if (close(bf) == -1)
	{
		printf("Error in close backup file.\n");
		exit(1);
	}
	else
	{
		printf("success in close backup file.\n");
	}
}

5. 截屏输出实验结果；
   Test.c结果截图如下：
   
   
   Test1.c结果截图如下
   
   
6. 根据实验结果与理论课讲述的原理进行实验分析。

实验通过使用两种方式实现了txt文件的备份。使用系统调用函数是通过文件描述符来实现文件的备份。C库函数则FILE结构指针实现。

思考题

1、使用系统调用函数open(),read(),write(),close()实现简单文件备份的原理是什么？

系统调用函数open(),read(),write(),close()是通过文件描述符来实现文件的备份。系统调用 open 用于创建一个新的文件描述符。open 建立了一条到文件或设备的访问路径。在调用失败时，将返回 -1；如果调用成功，它将返回一个可以被 read、write 和其他系统调用使用的文件描述符。从文件描述符相关联的文件里读入 BUFFER_SIZE长的数据，并把它们放到数据区 buffer 中。系统调用 write 的作用是把数据区 buffer 的前BUFFER_SIZE长的数据写入与文件描述符关联的文件中。它返回实际写入的字节数。系统调用 close 可以用来终止文件描述符与其对应文件之间的关联。当 close 系统调用成功时，返回 0，文件描述符被释放并能够重新使用。从而实现简单的文件备份。

2、使用C库函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose() 来实现简单文件备份的原理是什么？

通过调用库函数fopen()打开一个流，库函数fopen()的返回值为一个FILE结构指针，此结构中包含对所打开的流进行操作所需的全部信息。Fread()函数从文件中读入数据到指定的地址中的指定长度。fwrite() 是 C 语言标准库中的一个文件处理函数，功能是向指定的文件中写入若干数据块，如成功执行则返回实际写入的数据块数目。该函数以二进制形式对文件进行操作，不局限于文本文件。当流操作完成后，这个时候需要将流关闭，调用函数fclose()来完成，使用fclose就可以把缓冲区内最后剩余的数据输出到磁盘文件中，并释放文件指针和有关的缓冲区。

3、上述二者的区别在哪里？

前者（open）属于低级IO，后者（fopen）是高级IO。

前者返回一个文件描述符，后者返回一个文件指针。

前者无缓冲，后者有缓冲。

前者与 read, write 等配合使用， 后者与 fread, fwrite等配合使用。

后者是在前者的基础上扩充而来的，在大多数情况下，用后者。

fopen() 是 C 标准库中的函数，而 open() 是 Linux 中的系统调用函数。

但前者是在内核模式中运行的，且是在文件描述符的基础上进行，而后者则是在用户模式下运行的，且是在数据流的基础上进行，