《UNIX环境高级编程》读书笔记05: 文件和目录

作者: andylin02学习章节: 第4章 文件和目录关键词 stat/lstat/fstatat、文件类型、文件权限、umask、chmod、chown、硬链接、符号链接、目录遍历、文件时间戳一、引言从文件I/O到文件属性的跨越上一章我们聚焦于文件I/O的五个核心系统调用理解了如何读写文件数据。本章更进一步将目光投向文件本身——不仅仅是数据还包括文件的元数据。第3章关注“文件的内容是什么”第4章关注“文件是什么”。前者是读写数据后者是理解文件的身份、权限、类型和时间等属性二者构成了Unix文件操作的两大基石。本章的学习目标掌握如何获取和修改文件的元数据理解Unix文件系统的组织结构学会遍历目录和操作文件权限。二、stat函数族获取文件属性2.1 stat、fstat、lstat和fstatatUNIX系统提供了四个stat函数用于获取文件的属性信息#include sys/stat.h 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);函数参数类型特点stat路径名跟随符号链接返回链接指向的文件信息fstat文件描述符获取已打开文件的属性lstat路径名不跟随符号链接返回符号链接本身的信息fstatat目录文件描述符路径名相对于目录打开文件flag控制是否跟随符号链接关键区别当文件是符号链接时stat返回链接所指向的文件的信息而lstat返回符号链接本身的信息。在遍历目录树时使用lstat可以正确识别符号链接本身而不是陷入无限循环。2.2 stat结构体这四个函数通过buf指针填充一个struct stat结构体。虽然具体实现可能有所不同但其基本形式如下struct stat { mode_t st_mode; // 文件类型和访问权限 ino_t st_ino; // i节点号 dev_t st_dev; // 文件所在设备的设备号 dev_t st_rdev; // 特殊文件的设备号 nlink_t st_nlink; // 硬链接数 uid_t st_uid; // 文件所有者的用户ID gid_t st_gid; // 文件所有者的组ID off_t st_size; // 文件大小字节数 struct timespec st_atime; // 最后访问时间 struct timespec st_mtime; // 最后修改时间 struct timespec st_ctime; // 最后状态更改时间 blksize_t st_blksize; // 最佳I/O块大小 blkcnt_t st_blocks; // 分配的磁盘块数 };POSIX.1与XSI扩展POSIX.1未要求st_rdev、st_blksize和st_blocks字段Single UNIX Specification的XSI扩展才定义了这些字段。timespec结构按照秒和纳秒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为tv_sec成员。三、文件类型3.1 UNIX的七种文件类型UNIX/Linux系统将文件分为7种类型通过stat结构的st_mode成员判断文件类型测试宏说明普通文件S_ISREG()最常见类型包含某种形式的数据UNIX内核不区分文本或二进制目录文件S_ISDIR()包含其他文件名和指针只有内核可以直接写目录块特殊文件S_ISBLK()对设备提供带缓冲的访问每次以固定长度为单位如磁盘字符特殊文件S_ISCHR()对设备提供不带缓冲的访问每次长度可变如终端FIFOS_ISFIFO()命名管道用于进程间通信套接字S_ISSOCK()用于进程间的网络通信符号链接S_ISLNK()指向另一个文件的间接指针3.2 判断文件类型的代码示例#include apue.h int main(int argc, char *argv[]) { int i; struct stat buf; char *ptr; for (i 1; i argc; i) { printf(%s: , argv[i]); if (lstat(argv[i], buf) 0) { err_ret(lstat error); continue; } if (S_ISREG(buf.st_mode)) ptr regular; else if (S_ISDIR(buf.st_mode)) ptr directory; else if (S_ISCHR(buf.st_mode)) ptr character special; else if (S_ISBLK(buf.st_mode)) ptr block special; else if (S_ISFIFO(buf.st_mode)) ptr fifo; else if (S_ISLNK(buf.st_mode)) ptr symbolic link; else if (S_ISSOCK(buf.st_mode)) ptr socket; else ptr ** unknown mode **; printf(%s\n, ptr); } exit(0); }为什么使用lstat而不是statlstat返回符号链接本身的信息而stat会跟随符号链接返回目标文件的信息。用lstat可以正确识别符号链接这种文件类型。四、文件访问权限4.1 九个基本权限位每个文件有9个访问权限位取自sys/stat.h类别常量含义用户所有者S_IRUSR用户读S_IWUSR用户写S_IXUSR用户执行组S_IRGRP组读S_IWGRP组写S_IXGRP组执行其他S_IROTH其他读S_IWOTH其他写S_IXOTH其他执行4.2 目录执行权限的含义对于目录执行权限位常被称为搜索位。打开任一类型的文件时对该路径名的每一级目录都必须具有执行权限。权限对文件的作用对目录的作用读r读取文件内容读取目录中的文件名列表写w修改文件内容在目录中创建/删除文件执行x执行文件对脚本/程序搜索目录进入目录的通行证4.3 新文件和目录的所有权当创建一个新文件时用户ID设置为进程的有效用户ID组ID可以是进程的有效组ID也可以是所在目录的组ID若目录设置了setgid位五、umask函数文件创建掩码umask函数为进程设置文件模式创建屏蔽字并返回之前的值#include sys/stat.h mode_t umask(mode_t cmask);工作原理umask的功能是创建新文件时屏蔽掉用户不希望生效的权限位。对于文件权限的最大值是666不允许直接赋予执行权限目录则允许777。示例创建两个文件第一个的umask为0第二个的umask值禁止所有组和其他用户的访问权限。#include apue.h #include fcntl.h #define RWRWRW (S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH) int main(void) { umask(0); if (creat(foo, RWRWRW) 0) err_sys(creat error for foo); umask(S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH); if (creat(bar, RWRWRW) 0) err_sys(creat error for bar); exit(0); }运行结果foo权限为-rw-rw-rw-umask0bar权限为-rw-------umask禁止了组和其他用户的读写常用umask值002阻止其他用户写、022阻止同组成员和其他用户写、027阻止同组成员写阻止其他用户读写执行。六、chmod和fchmod函数chmod和fchmod用于更改已有文件的访问权限#include sys/stat.h int chmod(const char *pathname, mode_t mode); int fchmod(int fd, mode_t mode);权限要求要修改文件权限进程的有效用户ID必须等于文件的所有者ID或者进程具有超级用户权限。示例修改文件权限#include apue.h int main(void) { struct stat statbuf; // 打开set-group-ID位关闭组执行位 if (stat(foo, statbuf) 0) err_sys(stat error for foo); if (chmod(foo, (statbuf.st_mode ~S_IXGRP) | S_ISGID) 0) err_sys(chmod error for foo); // 设置绝对模式为 rw-r--r-- if (chmod(bar, S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH) 0) err_sys(chmod error for bar); exit(0); }七、粘着位Sticky Bit粘着位S_ISVTX在历史上用于普通文件的交换区保存现代系统对目录设置了粘着位后只有目录所有者、文件所有者或超级用户才能删除或重命名目录中的文件。这个特性常用于/tmp和/var/tmp等共享目录防止用户删除其他用户的临时文件。普通文件的粘着位只有超级用户可以设置普通文件的粘着位以防止不怀好意的用户设置粘住位。八、硬链接与符号链接8.1 链接函数#include unistd.h int link(const char *existingpath, const char *newpath); // 创建硬链接 int unlink(const char *pathname); // 删除目录项 int symlink(const char *actualpath, const char *sympath); // 创建符号链接 ssize_t readlink(const char *pathname, char *buf, size_t bufsize); // 读符号链接 int remove(const char *pathname); // 对文件unlink对目录rmdir int rename(const char *old, const char *new);8.2 硬链接与符号链接的对比特性硬链接符号链接本质目录中另一个指向相同i节点的文件名存储目标文件路径的特殊文件跨文件系统❌ 否必须在同一文件系统内✅ 是指向目录❌ 否只有超级用户可以✅ 是链接数影响st_nlink增加st_nlink不变删除原文件数据仍存在通过其他硬链接链接变成“悬空”dangling文件大小与原文件共享数据块存储路径字符串st_size为路径长度硬链接的限制硬链接通常要求链接和文件位于同一文件系统中且只有超级用户才能创建指向目录的硬链接。引入符号链接正是为了避开这些限制。8.3 目录遍历的流程目录遍历的核心函数调用链如下DIR *dp opendir(.); struct dirent *entry; while ((entry readdir(dp)) ! NULL) { printf(%s\n, entry-d_name); } closedir(dp);opendir函数返回指向DIR结构的指针readdir循环读取每个目录项返回dirent结构指针d_name成员为文件名。九、文件时间戳9.1 三个时间值每个文件维护三个时间字段字段说明修改操作ls选项st_atime最后访问时间read、exec、lstat等-ust_mtime最后修改时间内容write、truncate默认st_ctime最后状态更改时间i节点chmod、chown、link、unlink等-c9.2 修改时间戳的函数#include sys/time.h int utimes(const char *pathname, const struct timeval times[2]); int futimens(int fd, const struct timespec times[2]); int utimensat(int fd, const char *path, const struct timespec times[2], int flag);十、目录操作函数汇总函数功能mkdir创建新目录rmdir删除空目录opendir打开目录返回DIR*指针readdir读取目录项返回struct dirent*rewinddir重置目录流到开头closedir关闭目录流telldir/seekdir获取/设置目录流位置chdir/fchdir更改当前工作目录getcwd获取当前工作目录绝对路径十一、完整代码示例11.1 实现简单的ls命令#include apue.h #include dirent.h int main(int argc, char *argv[]) { DIR *dp; struct dirent *dirp; if (argc ! 2) err_quit(usage: ls directory_name); if ((dp opendir(argv[1])) NULL) err_sys(cant open %s, argv[1]); while ((dirp readdir(dp)) ! NULL) printf(%s\n, dirp-d_name); closedir(dp); exit(0); }11.2 递归遍历目录树ftw风格的简化版#include apue.h #include dirent.h #include limits.h typedef int Myfunc(const char *, const struct stat *, int); static Myfunc myfunc; static int myftw(char *, Myfunc *); static int dopath(Myfunc *); static long nreg, ndir, nblk, nchr, nfifo, nslink, nsock, ntot; int main(int argc, char *argv[]) { int ret; if (argc ! 2) err_quit(usage: ftw starting-pathname); ret myftw(argv[1], myfunc); ntot nreg ndir nblk nchr nfifo nslink nsock; if (ntot 0) ntot 1; printf(regular files %7ld, %5.2f %%\n, nreg, nreg * 100.0 / ntot); printf(directories %7ld, %5.2f %%\n, ndir, ndir * 100.0 / ntot); printf(block special %7ld, %5.2f %%\n, nblk, nblk * 100.0 / ntot); printf(char special %7ld, %5.2f %%\n, nchr, nchr * 100.0 / ntot); printf(FIFOs %7ld, %5.2f %%\n, nfifo, nfifo * 100.0 / ntot); printf(symbolic links %7ld, %5.2f %%\n, nslink, nslink * 100.0 / ntot); printf(sockets %7ld, %5.2f %%\n, nsock, nsock * 100.0 / ntot); exit(ret); } #define FTW_F 1 // 非目录文件 #define FTW_D 2 // 目录 #define FTW_DNR 3 // 不可读目录 #define FTW_NS 4 // 无法获取stat信息 static char *fullpath; static size_t pathlen; static int myftw(char *pathname, Myfunc *func) { fullpath path_alloc(pathlen); if (pathlen strlen(pathname)) { pathlen strlen(pathname) * 2; if ((fullpath realloc(fullpath, pathlen)) NULL) err_sys(realloc failed); } strcpy(fullpath, pathname); return dopath(func); } static int dopath(Myfunc *func) { struct stat statbuf; struct dirent *dirp; DIR *dp; int ret, n; if (lstat(fullpath, statbuf) 0) return func(fullpath, statbuf, FTW_NS); if (S_ISDIR(statbuf.st_mode) 0) return func(fullpath, statbuf, FTW_F); // 是目录先处理该目录本身 if ((ret func(fullpath, statbuf, FTW_D)) ! 0) return ret; n strlen(fullpath); if (n NAME_MAX 2 pathlen) { pathlen * 2; if ((fullpath realloc(fullpath, pathlen)) NULL) err_sys(realloc failed); } fullpath[n] /; fullpath[n] 0; if ((dp opendir(fullpath)) NULL) return func(fullpath, statbuf, FTW_DNR); while ((dirp readdir(dp)) ! NULL) { if (strcmp(dirp-d_name, .) 0 || strcmp(dirp-d_name, ..) 0) continue; strcpy(fullpath[n], dirp-d_name); if ((ret dopath(func)) ! 0) break; } fullpath[n-1] 0; if (closedir(dp) 0) err_ret(cant close directory %s, fullpath); return ret; } static int myfunc(const char *pathname, const struct stat *statptr, int type) { switch (type) { case FTW_F: switch (statptr-st_mode S_IFMT) { case S_IFREG: nreg; break; case S_IFBLK: nblk; break; case S_IFCHR: nchr; break; case S_IFIFO: nfifo; break; case S_IFLNK: nslink; break; case S_IFSOCK: nsock; break; case S_IFDIR: ndir; break; } break; case FTW_D: ndir; break; case FTW_DNR: err_ret(cant read directory %s, pathname); break; case FTW_NS: err_ret(stat error for %s, pathname); break; } return 0; }十二、第4章知识点速查表知识点核心内容stat系列函数stat/fstat/lstat/fstatat的区别七种文件类型普通文件、目录、块/字符特殊文件、FIFO、套接字、符号链接文件权限9个基本权限位 粘着位umask文件创建掩码屏蔽不需要的权限位chmod/fchmod修改已有文件的权限chown/fchown修改文件所有者硬链接 vs 符号链接i节点 vs 路径指针跨文件系统、跨目录的区别目录遍历opendir/readdir/closedir三个时间戳st_atime、st_mtime、st_ctime的区别文件系统结构i节点、目录项、数据块的层次关系十三、学习心得第4章是Unix文件系统的“百科全书”。本章的核心在于理解i节点、目录项和路径解析的关系。重点掌握stat与lstat的区别符号链接的处理方式文件权限模型9个基本位 粘着位的含义硬链接与符号链接的本质区别一个指向i节点一个指向路径目录遍历的方法opendir/readdir是递归处理文件树的基石三个文件时间戳的含义访问、修改、状态更改的区别本章内容多而杂但每条知识点都有实际用途。建议配合man手册和大量编码练习将各种系统调用的行为理解透彻。十四、下一篇预告下一篇将进入第5章“标准I/O库”内容包括标准I/O库与系统调用的关系流与FILE对象缓冲类型全缓冲、行缓冲、无缓冲打开、关闭、读写流fopen、fclose、fread、fwrite格式化I/Oprintf、scanf家族临时文件tmpfile、tmpnam内存流fmemopen、open_memstream敬请期待本文为个人学习笔记仅用于知识分享。如有错误欢迎指正。点赞 收藏 分享让更多开发者看到这篇深度解析❤️ 如果觉得有用请给个赞支持一下作者