第四章文件和目录

4.1 引言

上一章我们说明了执行I/O操作的基本函数，其中的讨论是围绕普通文件I/O进行的—打开文件、读文件或写文件。本章将描述文件系统的其他特征和文件的性质。我们将从stat函数开始，逐个说明stat结构的每一个成员以了解文件的所有属性。在此过程中，我们将说明修改这些属性的各个函数(更改所有者、更改权限等)，还将更详细地说明 UNIX文件系统的结构以及符号链接。本章最后介绍对目录进行操作的各个函数，并且开发了一个以降序遍历目录层次结构的函数。

4.2 函数stat、fstat、fstatat和lstat

本章主要讨论4个stat函数以及它们的返回信息。

#include 
int stat(const char *restrict pathname, struct stat *restrict buf);
int fstat(int fd, struct stat *buf);
int lstat(const char *restrict pathname, struct stat *restrict buf);
int fstatat(int fd, const char *restrict pathname, struct stat *restrict buf, int flag);

所有4个函数的返回值:若成功;返回0;若出错，返回-1

一旦给出pathname，stat函数将返回与此命名文件有关的信息结构。
fstat函数获得已在描述符fd上打开文件的有关信息。lstat函数类似于 stat，但是当命名的文件是一个符号链接时，lstat返回该符号链接的有关信息，而不是由该符号链接引用的文件的信息。(在4.22节中，当以降序遍历目录层次结构时，需要用到lstat。4.17节将更详细地说明符号链接。)

fstatat函数为一个相对于当前打开目录(由fd参数指向)的路径名返回文件统计信息。flag参数控制着是否跟随着一个符号链接。当 AT_SYMLINK_NOFOLLOW标志被设置时，fstatat不会跟随符号链接，而是返回符号链接本身的信息。否则，在默认情况下，返回的是符号链接所指向的实际文件的信息。如果fd参数的值是AT_FDCWD，并且 pathname参数是一个相对路径名， fstatat会计算相对于当前目录的pathname参数。如果pathname是一个绝对路径，fd参数就会被忽略。这两种情况下，根据flag的取值，fstatat的作用就跟stat或lstat一样

第2个参数buf是一个指针，它指向一个我们必须提供的结构。函数来填充由buf指向的结构。结构的实际定义可能随具体实现有所不同，但其基本形式是:

struct stat {
mode_t        st_mode;   /* file type & mode (permissions) */
ino_t        st_ino;    /* i-node number (serial number) */
dev_t        st_dev;    /* device number (file system) */
dev_t        st_rdev;   /* device number for special files */
nlink_t       st_nlink;  /* number of links */ uid_t        st_uid;    /* user ID of owner*/
gid_t        st_gid;    /* group ID of owner*/
off_t        st_size;   /* size in bytes, for regular files */
struct timespec   st_atime;  /* time of last access */
struct timespec   st_mtime;  /* time of last modification */
struct timespec   st_ctime;  /* time of last file status change */
blksize_t      st_blksize; /* best I/O block size */
blkcnt_t       st_blocks;  /* number of disk blocks allocated */
};

POSIX.1未要求st_rdev、st_blksize和st_blocks字段。Single UNIX Specification XSI扩展定义了这些字段。
timespec结构类型按照秒和纳秒定义了时间，至少包括下面两个字段:
time_t tv_sec;
long tv_nsec; 在2008年版以前的标准中，时间字段定义成st_atime、st_mtime以
及st_ctime，它们都是time_t类型的(以秒来表示)。timespec结构提供了更高精度的时间戳。为了保持兼容性，旧的名字可以定义成tv_sec 成员。例如，st_atime可以定义成st_atim.tv_sec。

注意，stat结构中的大多数成员都是基本系统数据类型(见2.8 节)。我们将说明此结构的每个成员以了解文件属性。
使用 stat 函数最多的地方可能就是 ls -l 命令，用其可以获得有关一个文件的所有信息。

4.3 文件类型

至此我们已经介绍了两种不同的文件类型:普通文件和目录。
UNIX 系统的大多数文件是普通文件或目录，但是也有另外一些文件类型。文件类型包括如下几种。

(1)普通文件(regular file)。这是最常用的文件类型，这种文件包含了某种形式的数据。至于这种数据是文本还是二进制数据，对于 UNIX内核而言并无区别。对普通文件内容的解释由处理该文件的应用程序进行。
一个值得注意的例外是二进制可执行文件。为了执行程序，内核必须理解其格式。所有二进制可执行文件都遵循一种标准化的格式，这种格式使内核能够确定程序文本和数据的加载位置。

(2)目录文件(directory file)。这种文件包含了其他文件的名字以及指向与这些文件有关信息的指针。对一个目录文件具有读权限的任一进程都可以读该目录的内容，但只有内核可以直接写目录文件。进程必须使用本章介绍的函数才能更改目录。

(3)块特殊文件(block special file)。这种类型的文件提供对设备 (如磁盘)带缓冲的访问，每次访问以固定长度为单位进行。
注意，FreeBSD不再支持块特殊文件。对设备的所有访问需要通过字符特殊文件进行。

(4)字符特殊文件(character special file)。这种类型的文件提供对设备不带缓冲的访问，每次访问长度可变。系统中的所有设备要么是字符特殊文件，要么是块特殊文件。

5)FIFO。这种类型的文件用于进程间通信，有时也称为命名管道(named pipe)。15.5节将对其进行说明。

(6)套接字(socket)。这种类型的文件用于进程间的网络通信。套接字也可用于在一台宿主机上进程之间的非网络通信。第16章将用套接字进行进程间的通信。

(7)符号链接(symbolic link)。这种类型的文件指向另一个文件。4.17节将更多地描述符号链接。

文件类型信息包含在stat结构的st_mode成员中。可以用图4-1中的宏确定文件类型。这些宏的参数都是stat结构中的st_mode成员。

image.png

允许实现将进程间通信(IPC)对象(如消息队列和信号量等)说明为文件。图4-2 中的宏可用来从 stat 结构中确定 IPC 对象的类型。这些宏与图 4-1 中的不同，它们的参数并非st_mode，而是指向stat 结构的指针。

image.png

消息队列、信号量以及共享存储对象等将在第 15 章中讨论。

我们写一个简单的代码查看一下文件类型和文件ino

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "../all.h"


int main(int argc, char *argv[]) {
    int i = 0;
    struct stat buf;
    char *ptr;

    for (i = 0; i < argc; ++i) {
        printf("file name : %s ", argv[i]);
        if (lstat(argv[i], &buf) < 0) {
            printf("lsata error\n");
            continue;
        }

        if (S_ISREG(buf.st_mode))
        {
            ptr = "regular";
        }
        else if (S_ISDIR(buf.st_mode))
        {
            ptr = "dirent";
        }
        else if (S_ISCHR(buf.st_mode))
        {
            ptr = "charfile";
        }
        else if (S_ISBLK(buf.st_mode))
        {
            ptr = "blockfile";
        }
        else if (S_ISFIFO(buf.st_mode))
        {
            ptr = "fifo file";
        }
        else if (S_ISLNK(buf.st_mode))
        {
            ptr = "islink";
        }
        else if (S_ISSOCK(buf.st_mode))
        {
            ptr = "socket";
        }
        else
        {
            ptr = "other file";
        }
        
        printf("file_type : %s, file_ino: %lld\n", ptr, buf.st_ino);
   }

    return 0;
}

image.png

我们特地使用了lstat函数而不是stat函数以便检测符号链接。如若使用stat函数，则不会观察到符号链接。

早期的UNIX版本并不提供S_ISxxx宏，于是就需要将st_mode与屏蔽字S_IFMT进行逻辑“与”运算，然后与名为S_IFxxx的常量相比较。大多数系统在文件中定义了此屏蔽字和相关的常量。如若查看此文件，则可找到S_ISDIR宏定义为:

define S_ISDIR (mode) (((mode) & S_IFMT) == S_IFDIR)

我们说过，普通文件是最主要的文件类型，但是观察一下在一个给定的系统中各种文件的比例是很有意思的。图4-4显示了在一个单用户工作站Linux系统中的统计值和百分比。这些数据是由4.22节中的程序得到的。

image.png

4.4 用户id和组id

与一个进程相关联的ID有6个或更多

file

•实际用户ID和实际组ID 标识我们究竟是谁。这两个字段在登录时取自口令文件中的登录项。通常，在一个登录会话期间这些值并不改变，但是超级用户进程有方法改变它们， 8.11节将说明这些方法。
•有效用户ID、有效组ID以及附属组ID决定了我们的文件访问权限，下一节将对此进行说明(我们已在1.8节中说明了附属组ID)。
•保存的设置用户ID和保存的设置组ID在执行一个程序时包含了有效用户ID和有效组ID的副本，在8.11节中说明setuid函数时，将说明这两个保存值的作用。

每个文件有一个所有者和组所有者，所有者由stat结构中的st_uid指定，组所有者则由st_gid指定。

例如，若文件所有者是超级用户，而且设置了该文件的设置用户 ID 位，那么当该程序文件由一个进程执行时，该进程具有超级用户权限。不管执行此文件的进程的实际用户 ID 是什么，都会是这样。例如，UNIX 系统程序passwd(1)允许任一用户改变其口令，该程序是一个设置用户 ID 程序。因为该程序应能将用户的新口令写入口令文件中 (一般是/etc/passwd 或/etc/shadow)，而只有超级用户才具有对该文件的写权限，所以需要使用设置用户 ID 功能。因为运行设置用户ID 程序的进程通常会得到额外的权限，所以编写这种程序时要特别谨慎。第 8 章将更详细地讨论这种类型的程序。

再回到stat函数，设置用户ID位及设置组ID位都包含在文件的 st_mode值中。这两位可分别用常量S_ISUID和S_ISGID测试。

4.5 文件访问权限

st_mode值也包含了对文件的访问权限位。当提及文件时，指的是前面所提到的任何类型的文件。所有文件类型(目录、字符特别文件等)都有访问权限(access permission)。很多人认为只有普通文件有访问权限，这是一种误解。

每个文件有9个访问权限位，可将它们分成3类

image.png

图4-6中的3类访问权限(即读、写及执行)以各种方式由不同的函数使用。我们将这些不同的使用方式汇总在下面。当说明相关函数时，再进一步讨论。
•第一个规则是，我们用名字打开任一类型的文件时，对该名字中包含的每一个目录，包括它可能隐含的当前工作目录都应具有执行权限。这就是为什么对于目录其执行权限位常被称为搜索位的原因。
例如，为了打开文件/usr/include/stdio.h，需要对目录/、/usr 和/usr/include具有执行权限。然后，需要具有对文件本身的适当权限，这取决于以何种模式打开它(只读、读-写等)。

如果当前目录是/usr/include，那么为了打开文件stdio.h，需要对当前目录有执行权限。这是隐含当前目录的一个示例。打开stdio.h文件与打开./stdio.h作用相同。注意，对于目录的读权限和执行权限的意义是不相同的。读权限允许我们读目录，获得在该目录中所有文件名的列表。当一个目录是我们要访问文件的路径名的一个组成部分时，对该目录的执行权限使我们可通过该目录(也就是搜索该目录，寻找一个特定的文件名)。引用隐含目录的另一个例子是，如果PATH环境变量 (8.10节将对其进行说明)指定了一个我们不具有执行权限的目录，那么shell绝不会在该目录下找到可执行文件。

•对于一个文件的读权限决定了我们是否能够打开现有文件进行读操作。这与open函数的O_RDONLY和O_RDWR标志相关。
•对于一个文件的写权限决定了我们是否能够打开现有文件进行写操作。这与open函数的O_WRONLY和O_RDWR标志相关。
•为了在open函数中对一个文件指定O_TRUNC标志，必须对该文件具有写权限。
•为了在一个目录中创建一个新文件，必须对该目录具有写权限和执行权限。

•为了删除一个现有文件，必须对包含该文件的目录具有写权限和
执行权限。对该文件本身则不需要有读、写权限。 •如果用7个exec函数(见8.10节)中的任何一个执行某个文件，都必
须对该文件具有执行权限。该文件还必须是一个普通文件。

进程每次打开、创建或删除一个文件时，内核就进行文件访问权限
测试，而这种测试可能涉及文件的所有者(st_uid和st_gid)、进程的有效ID(有效用户ID和有效组ID)以及进程的附属组ID(若支持的话)。两个所有者ID是文件的性质，而两个有效ID和附属组ID则是进程的性质。内核进行的测试具体如下。

1)若进程的有效用户ID是0(超级用户)，则允许访问。这给予了超级用户对整个文件系统进行处理的最充分的自由。
(2)若进程的有效用户ID等于文件的所有者ID(也就是进程拥有此文件)，那么如果所有者适当的访问权限位被设置，则允许访问;否则拒绝访问。适当的访问权限位指的是，若进程为读而打开该文件，则用户读位应为1;若进程为写而打开该文件，则用户写位应为1;若进程将执行该文件，则用户执行位应为1。
(3)若进程的有效组ID或进程的附属组ID之一等于文件的组ID，那么如果组适当的访问权限位被设置，则允许访问;否则拒绝访问。
(4)若其他用户适当的访问权限位被设置，则允许访问;否则拒绝访问。
按顺序执行这 4 步。注意，如果进程拥有此文件(第 2 步)，则按用户访问权限批准或拒绝该进程对文件的访问—不查看组访问权限。类似地，若进程并不拥有该文件。但进程属于某个适当的组，则按组访问权限批准或拒绝该进程对文件的访问—不查看其他用户的访问权限。

4.6 新文件和目录的所有权

在第3章中讲述用open或creat创建新文件时，我们并没有说明赋予新文件的用户ID和组ID是什么。4.21节将说明mkdir函数，此时就会了解如何创建一个新目录。关于新目录的所有权规则与本节将说明的新文件所有权规则相同。
新文件的用户ID设置为进程的有效用户ID。关于组ID，POSIX.1允许实现选择下列之一作为新文件的组ID。

(1)新文件的组ID可以是进程的有效组ID。
(2)新文件的组ID可以是它所在目录的组ID。

FreeBSD 8.0和Mac OS X 10.6.8总是使用目录的组ID作为新文件的
组ID。有些Linux文件系统使用 mount(1)命令选项允许在 POSIX.1 提出的两种选项中进行选择。对于 Linux 3.2.0 和Solaris 10，默认情况下，新文件的组ID取决于它所在的目录的设置组ID位是否被设置。如果该目录的这一位已经被设置，则新文件的组ID设置为目录的组ID;否则新文件的组ID设置为进程的有效组ID。

使用POSIX.1所允许的第二个选项(继承目录的组ID)使得在某个目录下创建的文件和目录都具有该目录的组ID。于是文件和目录的组所有权从该点向下传递。例如，在Linux的/var/mail目录中就使用了这种方法。

4.7 函数access和faccessat

正如前面所说，当用 open 函数打开一个文件时，内核以进程的有效用户 ID 和有效组 ID为基础执行其访问权限测试。有时，进程也希望按其实际用户ID和实际组ID来测试其访问能力。例如，当一个进程使用设置用户ID或设置组ID功能作为另一个用户(或组)运行时，就可能会有这种需要。即使一个进程可能已经通过设置用户ID以超级用户权限运行，它仍可能想验证其实际用户能否访问一个给定的文件。access 和faccessat函数是按实际用户ID和实际组ID进行访问权限测试的。(该测试也分成4步，这与4.5节中所述的一样，但将有效改为实际。)

#include 
int access(const char *pathname, int mode);
int faccessat(int fd, const char *pathname, int mode, int flag);

两个函数的返回值:若成功，返回0;若出错，返回-1 其中，如果测试文件是否已经存在，mode就为F_OK;否则mode是
图4-7中所列常量的按位或。

image.png

faccessat函数与access函数在下面两种情况下是相同的:一种是 pathname参数为绝对路径，另一种是fd参数取值为AT_FDCWD而 pathname参数为相对路径。否则，faccessat计算相对于打开目录(由fd参数指向)的pathname。
flag参数可以用于改变faccessat的行为，如果flag设置为 AT_EACCESS，访问检查用的是调用进程的有效用户ID和有效组ID，而不是实际用户ID和实际组ID。

4.8 umask

umask(mode_t cmask)
umask(S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH)

4.11 chown、fcbown 、fchownat 、lchown

int chown(const char * pathname, uid_t owner, gid_t group)
int fchown(int fd , uid_t owner, gid_t group)
int fchown(int fd, const char * pathname, uid_t owner, gid_t group, int flag);

4.13文件截断

#include 
int truncate(const char * pathname, off_t length);
int ftruncate(int fd, off_t length);

4.14 文件系统

link、linkat、unlink、unlinkat 和remove

#include 
int link(const char * existpath, const char * newpath);
int linkat(int fd, const char *existinpath, int nfd, const char * newpath, int flag);

#include 
int unlink(const char * pathname);
int unlinkat(int fd, const char *pathname, int flag);
int remove(char name

4.17符号链接

image.png

4.18创建和读取符号链接

可以用symlink或symlinkat函数创建一个符号链接。

#include 
int symlink(const char *actualpath, const char *sympath); 
int symlinkat(const char *actualpath, int fd, const char *sympath);

两个函数的返回值:若成功，返回0;若出错，返回-1 函数创建了一个指向actualpath的新目录项sympath。在创建此符号链接时，并不要求actualpath已经存在(在上一节结束部分的例子中我们已经看到了这一点)。并且，actualpath和sympath并不需要位于同一文件系统中。

因为open函数跟随符号链接，所以需要有一种方法打开该链接本 身，并读该链接中的名字。readlink和readlinkat函数提供了这种功能。
#include 
ssize_t readlink(const char *restrict pathname, char *restrict buf,
size_t bufsize);
ssize_t readlinkat(int fd, const char* restrict pathname,
char *restrict buf, size_t bufsize);

futimens、utimensat、utimes

#include 
int futimens(int fd, const struct timespec times[2]);
int utimensat(int fd, const char *path, const structtimespec times[2], int flag);
#include 
int utimes(const char *pathname, const struct timeval times[2]);

utimes函数对路径名进行操作。times参数是指向包含两个时间戳 (访问时间和修改时间)元素的数组的指针，两个时间戳是用秒和微妙表示的。
struct timeval {
time_t tv_sec; /* seconds / long tv_usec; / microseconds */
};

4.23 chdir 、fcdir 、getcwd

#include 
int chdir(const char *pathname); 
int fchdir(int fd);
include 
char *getcwd(char *buf, s i z e_t size);

个函数的返回值:若成功，返回0;若出错，返回-1 在这两个函数中，分别用pathname或打开文件描述符来指定新的当前工作目录。实例因为当前工作目录是进程的一个属性，所以它只影响调用 chdir 的进程本身，而不影响其他进程(我们将在第8章更详细地说明进程之间的关系)。这就意味着图4-23的程序并不会产生我们可能希望得到的结果。

getcwd
返回值:若成功，返回buf;若出错，返回NULL 必须向此函数传递两个参数，一个是缓冲区地址buf，另一个是缓冲区的长度size(以字节为单位)。该缓冲区必须有足够的长度以容纳
绝对路径名再加上一个终止 null 字节，否则返回出错(请回忆2.5.5节中有关为最大长度路径名分配空间的讨论)。
某些getcwd的早期实现允许第一个参数buf为NULL。在这种情况下，此函数调用malloc动态地分配size字节数的空间。这不是POSIX.1 或Single UNIX Specification的所属部分，应当避免使用。

4.26 特殊设备文件

st_dev和st_rdev这两个字段经常引起混淆，在18.9节，我们编写 ttyname函数时，需要使用这两个字段。有关规则很简单:

•每个文件系统所在的存储设备都由其主、次设备号表示。设备号所用的数据类型是基本系统数据类型dev_t。主设备号标识设备驱动程序，有时编码为与其通信的外设板;次设备号标识特定的子设备。回忆图4-13，一个磁盘驱动器经常包含若干个文件系统。在同一磁盘驱动器上的各文件系统通常具有相同的主设备号，但是次设备号却不同。

•我们通常可以使用两个宏:major和minor来访问主、次设备号，大多数实现都定义这两个宏。这就意味着我们无需关心这两个数是如何存放在dev_t对象中的。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include "../all.h"
#include 
#include 

int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("hello world\n");
    
    struct stat buf;
    stat(argv[1],&buf);
    
    printf("dev = %d/%d\n", major(buf.st_dev), minor(buf.st_dev));
    return 0;
}

4.25 文件访问权限小结

image.png

APUE第四章文件和目录

第四章文件和目录

4.1 引言

4.2 函数stat、fstat、fstatat和lstat

4.3 文件类型

define S_ISDIR (mode) (((mode) & S_IFMT) == S_IFDIR)

4.4 用户id和组id

4.5 文件访问权限

4.6 新文件和目录的所有权

4.7 函数access和faccessat

4.8 umask

4.11 chown、fcbown 、fchownat 、lchown

4.13文件截断

4.14 文件系统

4.17符号链接

4.18创建和读取符号链接

futimens、utimensat、utimes

4.23 chdir 、fcdir 、getcwd

4.26 特殊设备文件

4.25 文件访问权限小结

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4.1 引言

4.2 函数stat、fstat、fstatat和lstat

4.3 文件类型

define S_ISDIR (mode) (((mode) & S_IFMT) == S_IFDIR)

4.4 用户id和组id

4.5 文件访问权限

4.6 新文件和目录的所有权

4.7 函数access和faccessat

4.8 umask

4.11 chown、fcbown 、fchownat 、lchown

4.13文件截断

4.14 文件系统

4.17符号链接

4.18创建和读取符号链接

futimens、utimensat、utimes

4.23 chdir 、fcdir 、getcwd

4.26 特殊设备文件

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