文件系统

“裸奔”层次：不带操作系统编程

层级	说明
APP	应用层
Hardware	硬件层

特点：

• 简单粗暴：应用层直接操作硬件（寄存器、IO口等）。

缺点：

• 开发需理解原理图和硬件细节。
• 仅支持单任务运行，无法并发。

带操作系统的编程

层级	说明
APP	应用层
OS	操作系统
Hardware	硬件层

特点：

• 开发聚焦应用逻辑，无需关心硬件细节。
• 支持多任务并发运行。

缺点：

• API数量庞大。
• API功能可能不符合特定需求。

操作系统（OS）定义：

• 直接运行在“裸机”上的基础系统软件，所有应用软件依赖其支持。 常见操作系统：
• Windows（x86/xp/win8/win10/win11）
• Linux（Ubuntu/CentOS/RedHat/Kali）
• macOS
• iOS
• Android
• 鸿蒙
• Unix

Linux开发特点：

• 通过调用Linux提供的系统API接口操作硬件或使用系统服务。

---

Linux文件系统

核心理念：一切皆文件。所有操作通过文件接口实现。

文件系统组成

文件系统是存储、组织、管理和提供访问文件的一套方式、方法、协议及软件实现。

文件：

• 文件属性：由 inode（索引节点）管理，存储文件元数据（权限、大小等）。
• 文件内容：实际存储的数据。

文件操作过程

1. 硬链接：通过文件名找到对应 inode。
2. 内核数据结构：
   • struct inode：描述文件的物理信息（内核创建）。
   • struct file：描述已打开文件的状态（如文件偏移量）。
   • 一个文件可被多个应用打开，每个打开操作对应独立的 struct file。
3. 操作流程：

   进程文件表项 → struct file → struct inode → 硬件inode → 文件内容

进程文件表项

每个进程维护一个文件指针数组（struct file* []）。

• 文件描述符（fd）：数组下标，标识打开的文件。
  • open() 返回 fd，后续操作通过 fd 访问文件。

系统IO函数：

• open(), read(), write(), close() 等由操作系统提供的文件操作接口。

---

Linux系统IO操作

打开文件：open()

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

// 版本1
int open(const char *pathname, int flags);

// 版本2（创建文件时）
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

参数说明：

• pathname：文件路径（含文件名和扩展名）。
• flags：打开方式标志位：
  • O_RDONLY：只读
  • O_WRONLY：只写
  • O_RDWR：可读可写
  • O_CREAT：文件不存在时创建（需配合 mode 参数）。
• mode：文件权限（八进制数，如 0777）。实际权限 = mode & ~umask。

返回值：

• 成功：文件描述符（fd）。
• 失败：-1。

读取文件：read()

函数原型：

#include <unistd.h>
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数说明：

• fd：文件描述符（open() 返回）。
• buf：存储读取数据的内存地址指针。
• count：需读取的字节数。

返回值：

• 成功：实际读取的字节数。
• 失败：-1。

写入文件：write()

函数原型：

#include <unistd.h>
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

参数说明：

• fd：文件描述符。
• buf：待写入数据的内存地址指针。
• count：需写入的字节数。

返回值：

• 成功：实际写入的字节数。
• 失败：-1。

移动文件光标：lseek()

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

参数说明：

• fd：文件描述符。
• offset：偏移字节数（正数向文件尾，负数向文件头）。
• whence：基准位置：
  • SEEK_SET：文件开头
  • SEEK_CUR：当前位置
  • SEEK_END：文件末尾

返回值：

• 成功：实际偏移的字节数。
• 失败：-1。

注意：偏移超出文件末尾形成“空洞”，写入时填充空洞。

关闭文件：close()

函数原型：

#include <unistd.h>
int close(int fd);

参数说明：

• fd：需关闭的文件描述符。

返回值：

• 成功：0。
• 失败：-1。

文件权限与 umask

权限计算规则

• 实际权限 = 指定权限 & ~umask。示例：

  指定权限：0777
  umask：0022
  实际权限：0777 & ~0022 = 0777 & 0755 = 0755

设置 umask

函数原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
mode_t umask(mode_t mask);

参数说明：

• mask：新的权限掩码值。

返回值：

• 旧的 umask 值。

注意：代码中的 umask 设置不影响系统全局设定。

---

作业

实现文件拷贝功能：将文件A的内容完整复制到文件B（B为空文件）。

步骤：

1. 用 open() 打开源文件（A）和目标文件（B）。
2. 循环调用 read() 从A读取数据到缓冲区。
3. 调用 write() 将缓冲区数据写入B。
4. 用 close() 关闭两个文件。

---

总结：

• 系统IO：Linux通过文件描述符抽象文件操作。
• 核心函数：open、read、write、lseek、close 实现完整文件管理。
• 权限控制：umask 调节文件创建时的实际权限。

---