Unix的文件系统的内部结构，主要是超级块、inode相关知识

最近在学习Unix下系统编程，书看的还比较仔细，但是合上书后总是有种雾里看花朦朦胧胧的感觉。俗话说实践出真知，学习编程怎么能不动手呢。既然是学习系统编程那就写一些系统命令来巩固知识，消除朦胧的感觉吧！选中PWD命令，有如下几个原因：           1、 可以加深对Linux文件系统组织结构的理解           2、可以加深对目录结构的理解           3、 可以加深对挂载点和链接的理解 
注：关于LINUX文件系统的相关基础知识，大家可以先看看《Linux文件系统详解》：http://www.armjishu.com/bbs/viewtopic.php?id=1754&flag=1578         Unix下一切皆文件，也就是说掌握好了文件也就掌握了Unix的一切(菜鸟说法不必当真)。掌握了上述三个知识点也就算基本掌握了Unix文件系统的相关知识。有点遗憾的是文件状态和权限相关知识在这个例子中没有涉及。选好了命令下一步就是写了，下面是我的写作计划： 1、 Unix的文件系统的内部结构，主要是超级块、inode相关知识 2、 目录结构，当然是目录相关知识了 3、 编写PWD命令         PWD命令的作用就是显示当前工作目录的绝对路径，就是从/开始到当前目录。用法很简单，没有其他参数。在命令行敲入pwd：

 

 

pwd命令.jpg

1、Unix文件系统的内部结构     文件系统可以用来存储文件内容、文件属性(所有者、日期等)和目录，这些不同类型的数据是如何存储在磁盘上的呢？Linux使用了一个简单的办法。如下图所示它将磁盘分成了3部分：超级块、inode表和数据区。

 

 

文件的内部结构

     超级块，通常是文件系统的第一个块，用来存放文件系统本身的信息。例如每个区域的大小、未被使用的磁盘块的信息等；不同版本的Unix的超级块的内容和结构稍有不同。      inode表，每个文件都有一些属性，如大小、文件所有者和最近修改时间等。这些属性被记录在inode表中，所有的inode都有相同的大小。文件系统中的每个文件都对应一个inode；       数据区，文件内容的内容保存在这个区域。磁盘上所有块的大小都是一样的，如果文件包含了超过一个块的内容，则文件内容会存放在多个磁盘块中。      当创建一个新文件时，内核将文件内容存放在数据区，文件属性存放在inode中，文件名存放在目录中。当对一个文件进行相关操作时，内核先在目录中找到文件名，然后根据目录中inode获得文件的属性，最终找到文件的内容。从上述过程可以看出，目录至少需要包含inode和文件名。
2、目录结构   用户看到的文件系统是目录和子目录的集合，也就是目录树。每个目录能够包含文件和子目录，每个子目录有一个父目录，这棵树的结构常用线条连接的方框图来表示。在文件系统内部，目录是一个包含文件名与inode节点对的列表的文件。从用户角度看到的是一个文件名的列表，而从系统的角度看到的是一个被命名的指针的列表。如下图所示：

 

 

目录树的两种不同视图

     一般我们都说文件存放在某个目录中，但是由上面的分析可知目录中存放的只是文件在inode表的入口，而文件内容则存储在数据区。'文件x在目录a中 '，意味着在目录a中有一个指向inode402的链接，这个链接所附加的文件名为x。简短的说，目录包含的是文件的引用，每个引用被称为链接。      链接有两种，一种是硬链接，另一种是符号链接。这里需要注意的一点是Unix下文件没有文件名，但是链接有名字，通常所说的文件名其实就是链接名。硬链接就是把链接名和inode链接起来，也就是将文件名和文件本身链接起来。符号链接就是通过名字引用文件，而不是inode，也就是将名字和名字链接起来。      从图1我们可以看到，在系统角度，每个目录都有两个链接：'.'和'..'。这两个链接是干什么用的呢？内核在每个目录都设置了一个指向目录本身的inode，这个入口被称为'.'。'..'，是指向父目录inode的入口。
3、编写PWD命令 
3.1、PWD分析      通过前面基础知识的学习，我们知道了Unix文件系统是树形结构，节点被称为inode，指针的集合被称为目录，叶子节点被称为链接。那么要想取得当前工作目录的绝对路径只需追踪链接，读取目录，一个目录接着一个目录沿着树向上追踪，每步查看'.'的inode，然后在父目录中查找该inode的名字，直到到达树的根部。这就是PWD命令的工作原理，知道了原理那么就可以得出PWD的实现算法了：            1、得到'.'的inode，称其为n(使用stat)            2、进入'..'(使用chdir)            3、找到节点号为n的inode链接的名字(使用opendir、readdir、closedir)            4、重复上述三个步骤，直到到达书的根部         这里需要注意两个问题，第一个问题就是如何知道已经到达树的顶端。在Unix 文件系统的根目录中，'.' 和 '..'指向同一个inode。因此当PWD命令重复循环直到一个目录的'.' 和 '..'的inode相同时，就可以认为已经到达文件树的根部了。第二个问题就是如何以正确的顺序显示目录名字。学过算法的同学都知道，处理这种问题用递归再合适不过了。通过一个递归的程序逐步到达树的顶端来一个接一个地显示目录名，从而避免了字符串的管理。
3.2、相关数据结构和系统调用     在动手写代码之前需要了解一下两个数据结构：DIR和struct dirent。DIR是一个不透明的结构，每个平台都有自己的DIR实现，用户不需要明白DIR的具体结构。也就是说，看到源码中的DIR就只需要明白这是个目录指针就可以了。struct dirent是一个目录入口的结构，在Linux下定义如下：

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1. struct dirent{  
2.     long d_ino;   /* inode number 索引节点号 */  
3.     off_t d_off;  /* offset to this dirent 在目录文件中的偏移 */  
4.     unsigned short d_reclen;    /* length of this d_name 文件名长 */  
5.     unsigned char d_type;        /* the type of d_name 文件类型 */  
6.     char d_name [NAME_MAX+1];   /* file name文件名，最长255字符 */  
7. }  

struct dirent{long d_ino; /* inode number 索引节点号 */off_t d_off; /* offset to this dirent 在目录文件中的偏移 */unsigned short d_reclen; /* length of this d_name 文件名长 */unsigned char d_type; /* the type of d_name 文件类型 */char d_name [NAME_MAX+1]; /* file name文件名，最长255字符 */}

 

与目录操作有关的函数在dirent.h头文件中声明。它们以DIR结构为目录操作的基础，其使用方法与文件流(FILE *)类似。目录数据项本身在struct dirent结构中返回。我们实现PWD命令需要用到的目录操作有opendir、readdir和closedir，下面就介绍下这三个函数：
DIR *opendir(const char *name) opendir函数用来打开一个目录并创建一个目录流，如果成功则返回一个指向DIR结构的指针，该指针用于读取目录数据项。
struct dirent *readdir(DIR *dirp) readdir函数返回一个指针，指针指向的结构保存着目录流dirp中下一个目录项的相关资料。后续的readdir调用将返回后续的目录项。
int closedir(DIR *dirp) closedir函数用来关闭一个目录流并释放与之相关的资源，成功返回0，失败返回-1。
3.3、编译运行      进入到存放spwd.c文件的目录下，使用gcc编译源文件，生成可执行文件(我这里命名为spwd)，然后把可执行文件拷贝到/bin/下就可以像使用pwd命令一样使用自己写的pwd命令了。