教材第七、八章读书笔记
第七章知识点归纳
- 1 文件操作级别
- （1）硬件级别：
- （2）操作系统中的文件系统函数
- （3）系统调用
- （4）I/O库函数
- （5）用户命令
- （6）sh脚本 - 2文件I/O操作
- （1）文件I/O操作示意图
- （2）用户模式下的程序执行操作 - 3低级别文件操作
- （1）分区
- （2）格式化分区
- （3）挂载分区 - 4EXT2文件系统简介
- （1）EXT2文件系统数据结构
- （2）超级块
- （3）块组描述符
- （4）位图
- （5）索引节点
1 文件操作级别
文件操作 分为五个级别：
（1）硬件级别
- fdisk：将硬件、U盘或SDC盘分区。
- mkfs：格式化磁盘分区，为系统做好准备。
- fsck：检查和维修系统。
- 碎片整理：压缩文件系统中的文件。
（2）操作系统中的文件系统函数
每个操作系统内核均可为基本文件操作提供支持，下文列出了类unix系统内核中的一些函数，其中前缀k表示内核函数。
kmount () . kumount ( ) (mount/umount file systems)
kmkdir(), krmdir() (make/ remove directory)
kchdir(), kgetcwd () (change directory, get CWD pathname)
klink(),kunlink() (hard link/unlink files)
kchmod(), kchown(),kutime() (change r|w|x permissions, owner,time)
kcreat (), kopen() (create/open file for R,W,RW,APPEND)
kread(),kwrite() (read/write opened files)
klseek(): kclose() (lseak/close file descriptors)
ksymlink(), kreadlink () (create/read symbolic link files)
kstat(), kfstat(),klstat() (get file status/information)
kopendir(), kreaddiz() (open/read airectories)
（3）系统调用
用户模式程序使用系统调用来访问内核函数
open(),read(),lseek()和close()都是c语言库函数。每个库函数都会发出一个系统调用，使进程进入内核模式来执行相应的内核函数，当进程结束执行内核函数使，会返回到用户模式，并得到所需的结果。
（4）I/O库函数
系统调用可以让用户读/写多个数据块，这些数据块只是一系列字节。他们不知道，也不关心数据的意义。用户通常需要读/写单独的字符、行或数据结构记录等。C语言库提供了一系列标准的I/O函数，包括：
FILE mode I/O: fopen(),fread();fwrite(),fseek(),fclose(),fflush()
char mode I/O: getc(), getchar(); ugetc(); putc(),putchar()
line mode I/O: gets() , fgets();puts( ) , fputs()
formatted I/O: scanf(),fscanf().sscanf(); printf(),fprintf() , sprintf()
（5）用户命令
用户可以使用Unix/Linux命令来执行文件操作，而不是编写程序。用户命令如下：
mkdir，rmdir，cd，pwd，ls，link，unlink，rm，cat，cp，mv，chmod，etc.
（6）sh脚本
虽然比系统调用方便的多，但是必须要手动呼入命令
2文件I/O操作
（1）文件I/O操作示意图
（2）用户模式下的程序执行操作
打开一个读文件流
FILE *fp = fopen("file", "r");
或:
打开一个读/写文件流
FILE *fp = fopen("file", "w");
- fopen()在用户( heap)空间中创建一个FILE结构体，包含一个文件描述符fd、一个fbuf [BLKSIZE]和一些控制变量。它会向内核中的 kopen()发出一个fd = open("file",flags=READ or WRITE)系统调用，构建一个OpenTable来表示打开文件示例。成功后，fp会指向FILE结构体，其中fd是 open()系统调用返回的文件描述符。
- fread（ubuf，size，nitem，fp）：将nitem个size字节读取到ubuf上
- 将数据从FILE结构体的fbuf上复制到ubuf上，若数据足够，则返回。
- 如果fbuf没有更多数据，则执行(4a)。
- 发出read(fd, fbuf， BLKSIZE)系统调用，将文件数据块从内核读取到fbuf上，然后将数据复制到ubuf上，直到数据足够或者文件无更多数据可复制
- fwrite(ubuf,size,nitem, fp)：将数据从ubuf复制到 fbuf
- 若(fbuf有空间):将数据复制到fbuf上，并返回
- 若(fbuf已满);发出 write(fd,fbuf,BLKSIZE)系统调用，将数据块写入内核，然后再次写入fbuf
这样，fread()/fwrite()会向内核发出read()/write()系统调用，但仅在必要时发出，而且它们会以块集大小来传输数据，提高效率。同样，其他库IO函数，如 fgetc/fputc、fgetsllputs、fscanf/fprintf等也可以在用户空间内的FILE结构体中对fbuf进行操作。
3低级别文件操作
（1）分区
一个块存储设备，如硬盘、U盘、SD卡等，可以分为几个逻辑单元，称为分区。各分区均可以格式化为特定的文件系统，也可以安装在不同的操作系统上。大多数引导程序，如GRUB、LILO等，都可以配置为从不同的分区引导不同的操作系统。分区表位于第一个扇区的字节偏移446（0x1BE）处，该扇区称为设备的主引导记录（MBR）。表有4个条目，每个条目由一个16字节的分区结构体定义，即：
struct partition {
u8 drive; // 0x80 - active
u8 head; // starting head
u8 sector; // starting sector
u8 cylinder; // starting cylinder
u8 sys_type; // partition type
u8 end_head; // end head
u8 end_sector; // end sector
u8 end_cylinder; // end cylinder
u32 start_sector; // starting sector counting from 0
u32 nr_sectors; // number of sectors in partition
};
每个扩展分区的第一个扇区是一个本地MBR。每个本地MBR在字节偏移量0xIBE处也有一个分区表，只包含两个条目。第一个条目定义了扩展分区的起始扇区和大小。第二个条目指向下一个本地MBR。
（2)格式化分区
fdisk只将一个存储设备划分为多个分区。每个分区都有特定的文件系统类型，但是分区还不能使用。为了存储文件，必须先为特定的文件系统准备好分区。该操作习惯上称为格式化磁盘或磁盘分区。在Linux中，它被称为mkfs，表示Make文件系统。Linux支持多种不同类型的文件系统。每个文件系统都期望存储设备上有特定的格式。在Linux中，命令
mkfs -t TYPE [-b bsize] device nblocks
在一个nblocks设备上创建一个TYPE文件系统，每个块都是bsize字节。如果bsize未指定，则默认块大小为1KB。具体来说，假设是EXT2/3文件系统，它是Linux的默认文件系统。因此，
mkfs -t ext2 vdisk 1440
或
mke2fs vdisk 1440
格式化后的磁盘应是只包含根目录的空文件系统。但是，Linux的mkfs始终会在根目录下创建一个默认的lost+found目录。
/mnt目录通常用于挂载其他文件系统。
(3)挂载分区
第八章知识点归纳
系统调用
在操作系统中，进程以两种不同的模式运行，即内核模式和用户模式，简称Kmode和Umode。在Umode中，进程的权限非常有限。它不能执行任何需要特殊权限的操作。特殊权限的操作必须在Kmode下执行。系统调用（简称syscall）是一种允许进程进入Kmode以执行Umode不允许操作的机制。复刻子进程、修改执行映像，甚至是终止等操作都必须在内核中执行。
系统调用手册页
在Unix以及大多版本的Linux中，在线手册页保存在/usr/man/目录中（Goldt等1995；Kerrisk 2010，2017）。而在Ubuntu Linux中，则保存在/usr/share/man目录中。man2子目录中列出了所有系统调用手册页。sh命令man 2 NAME显示了系统调用名称的手册页。例如：
man 2 stat
man 2 open
man 2 read
使用系统调用进行文件操作
系统调用必须由程序发出。它们的用法就像普通函数调用一样。每个系统调用都是一个库函数，它汇集系统调用参数，并最终向操作系统内核发出一个系统调用
列举一些简单的文件操作系统调用：
access:检查对某个文件的权限
int access(char *pathname,int mode) ;
chdir:更改目录
int chdir(const char *path);
chmod:更改某个文件的权限
int chmod(char *path,mode_t mode) ;
chown:更改文件所有人
int chown (char *name, int uid, int gid);
chroot:将（逻辑）根目录更改为路径名
int chroot(char *pathname ) ;
getcwd:获取cWD的绝对路径名
char *getcwd(char *buf, int size);
mkdir :创建目录
int mkdir(char *pathname,mode_t mode) ;
rmdir:移除目录（必须为空）
int rmdir(char *pathname );
link:将新文件名硬链接到旧文件名
int link(char *oldpath, char *newpath) ;
unlink:减少文件的链接数;如果链接数达到0，则删除文件
int unlink (char *pathname);
symlink:为文件创建一个符号链接
int symlink(char *oldpath,char *newpath);
rename:更改文件名称
int rename (char *oldpath, char *newpath);
utime:更改文件的访问和修改时间
int utime(char *pathname, struct utimebuf *time)
//以下系统调用需要超级用户权限
mount:将文件系统添加到挂载点目录上
int mount(char *specialfile,char *mountDir);
umount:分离挂载的文件系统
int umount (chaz *dir);
mknod:创建特殊文件
int mknod(char *path, int mode,int device);
- 常用的系统调用
stat:获取文件状态信息
int stat (char*filename, struct stat *buf)
int fstat(int tiledes,struct stat *buf)
int lstat (char*至ilename, struct stat *buf)
open:打开一个文件进行读、写、追加
int open(char *file, int flags, int mode)
close:关闭打开的文件描述符
int close(int fd)
read:读取打开的文件描述符
int read(int fd,char buf[ ], int count)
write:写入打开的文件描述符
int write(int fa,char buf[ 1, int count)
lseck:重新定位文件描述符的读/写偏移量
int lseek(int fa, int offset,int whence)
dup:将文件描述符复制到可用的最小描述符编号中
int dup(int oldrd);
dup2:将oldfd复制到newfd中，如果newfd已打开，先将其关闭
intdup2(int oldfd, int newfd)
link:将新文件硬链接到旧文件
int link ( char *o1dPath, char *newPath)
unlink:取消某个文件的链接;如果文件链接数为0，则删除文件
int unlink(char *pathname) ;
symlink:创建一个符号链接
int symlink(char *target, char *newpath)
readlink:读取符号链接文件的内容
int readlink(char *path,char *buf,int bufsize)
umask:设置文件创建掩码;文件权限为(mask & ~umask)
int umask (int umask);
- 链接文件
在Unix/Linux中，每个文件都有一个路径名。但是，Unix/Linux允许使用不同的路径名来表示用一个文件。这些文件叫作LINK（链接）文件。有两种类型的链接，即硬链接和软链接或符号链接-
（1）硬链接文件
ln oldpath newpath
创建从newpath到oldpath的硬链接。对应的系统调用为：
link（char *oldpath,char *newpath）
硬链接文件会共享文件系统中相同的文件表示数据结构。文件链接会记录链接到同一索引结点的硬连接数量。相反，系统调用：
unlink（char *pathname）
会减少文件的链接数。如果链接变为0，文件就被完全删除。 -
（2）符号链接文件
ln -s oldpath newpath #in command with the -s flag
创建从newpath到oldpath的软链接或符号链接。对应的系统调用是：
symlink（char *oldpath,chat *newpath）
newpath是LNK类型的普通文件，包含oldpath字符串。与硬链接不同，软链接适用于任何文件，包括目录。
软链接在以下情况下非常有用。
通过一个较短的名称来访问一个经常使用的较长的路径名称，例如：
x -> aVeryLongPathnameFile
将标准动态库名称链接到实际版本的动态库，例如：
libc.so.6 -> libc.2.7.so
当将实际动态库更改为不同版本时，库安装程序只需更改（软）链接以指向新安装的库。
软链接的一个缺点是目标文件可能不复存在了。在Linux中，会通过ls命令以适当的深色RED显示此类危险，提醒用户链接已断开。此外，如果foo -> /a/b/c是软链接，open("foo", 0)系统调用将打开被链接的文件/a/b/c，而不是链接文件自身。所以open()/read()系统调用不能读取软链接文件，反而必须要用readlink系统调用来读取软链接文件的内容。
-
- stat系统调用
- （1）stat文件状态
- （2）stat结构体
- （3）stat与文件索引节点
- （4）文件类型和权限
- （5）opendir-readdir函数
目录也是一个文件。我们应该能像其他任何普通文件一样，打开一个READ目录，然后读取和显示它的内容。然而，根据文件系统的不同，目录文件的内容可能会有不同。因此，用户可能无法正确读取和解释目录的内容。鉴于此，POSIX为目录文件指定了以下接口函数。
#include <dirent.h>
DIR *open(dirPath); // open a directory named dirPath for READ
struct dirent *readdir(DIR *dp); // return a dirent pointer
Linux中dirent结构体是：
struct dirent {
u32 d_ino; // inode number
u16 d_reclen;
char d_name[];
};
在dirent结构体中，POSIX只要求必须保留d_name字段。其他字段取决于具体的系统。
opendir()返回一个DIR指针dirp。每个readdir(dirp)调用返回一个dirent指针，指向目录中下一个条目的dirent结构体。当目录中没有更多条目时，则返回一个NULL指针。我们用一个例子来说明它们的用法。下面的代码段可打印目录中的所有文件名称。
#include <dirent.h>
struct dirent *ep;
DIR *dp = opendir("dirname");
while (ep = readdir(dp)) {
printf("name=%s ", ep->d_name);
}
- （6）readlink函数
- （7）ls程序
- open-close-lseek系统调用
- （1）打开文件和文件描述符
- （2）关闭文件描述符
- （3）lseek文件描述符
- read（）系统调用
- write()系统调用
- 文件操作示例程序
- （1）显示文件内容
- （2）复制文件
- （3）选择性文件复制
苏格拉底挑战
