文件描述符
在内核中,所有打开的文件都使用文件描述符（一个非负整数）标记。文件描述符的变化范围是0~OPEN_MAX – 1。早期的unix系统中，每个进程最多可以同时打开20个文件，就是说文件描述符的范围为0~19，但是现在很多系统将其增加到0~63。
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#include <fcntl.h> int open(const char* path, int oflag, ...); int openat(int fd, const char* path, int oflag, ...); 返回值：成功，文件描述符；失败，-1 |
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path: 打开或创建文件的名字。 oflag: 用|连接的多个选项。 以下选项有且只能有一个： O_RDONLY(0)/O_WRONLY(1)/O_RDWR(2)/O_EXEC/O_SEARCH 以下选项可选： O_APPEND/O_CLOEXEC/O_CREAT/O_DIRECTORY(如果path不是目录，则出错)/O_EXCL(如果同时指定了O_CREATE，而文件已经存在，则出错)/O_NOCTTY/O_NOFOLLOW(如果path是一个符号链接，则出错)/O_NBLOCK(非阻塞模式)/O_SYNC(使得每次write等待物理I/O完成)/O_TRUNC(将文件截断为0)/O_TTY_INIT(如果打开一个还未打开的终端设备，设置非标准的termios参数值，使其符合Single UNIX Specification)/O_DSYNC(使得每次write等待物理I/O完成)/O_RSYNC(使每一个以文件描述符为参数的read操作等待，直至对文件的所有写操作完成) fd: 3种情况： path为绝对路径，此时fd被忽略，openat等价于open； path为相对路径，此时fd指定相对路径在文件系统中的开始地址，fd参数通过打开相对路径所在的目录来获取； path为相对路径，fd的值为AT_FDCWD，此时路径名在当前目录中获取； |
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#include <unistd.h> int close(int fd); 返回值：成功，0；失败，-1 |
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当一个进程终止时，内核自动关闭所有打开的文件，因此，很多时候不需要显式地调用close。 |
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#include <unistd.h> off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence); 返回值：成功，新的文件偏移量；失败，-1 |
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文件偏移量为从文件开始处计算出的字节数，非负。默认情况下，打开一个文件时，偏移量被设为0（除非以O_APPEND模式打开）。 whence: 如果为SEEK_SET(0)，则将偏移量设为距文件开始处offset个字节； 如果为SEEK_CUR(1)，则将偏移量设为距文件当前处offset个字节（可正可负）； 如果为SEEK_END(2)，则将偏移量设为文件长度加offset个字节（可正可负）； lseek仅将当前文件偏移量记录在内核中，用于下一次读或者写操作。文件偏移量可以大于当前文件长度，在这种情况下，对该文件的一次写操作将加长该文件，并在文件中形成一个空洞（属于文件但是没有写过的字节都被设为0），但是该空洞并不占用磁盘空间。 |
空洞程序示例： |
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#include <unistd.h> ssize_t read(int fd, void* buf, size_t nbytes); 返回值：成功，读出的字节数；失败，-1；遇到文件尾，0 |
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#include <unistd.h> ssize_t write(int fd, const void* buf, size_t nbytes); 返回值：成功，写入的字节数；失败，-1 |
#include <stdio.h> |
文件共享
Unix支持在不同进程间共享打开的文件。Unix内核使用3种数据结构表示打开的文件:
注：创建v节点的目的是为了支持一个计算机系统上的多种文件系统类型。Linux系统没有使用v节点，而是使用了通用的i节点结构。
两个独立进程打开同一文件如下：
第一个进程在文件描述符3上打开该文件，第二个进程在文件描述符4上打开该文件。每个进程都获得独立的文件表项，但却指向同一个v节点。
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#include <unistd.h> int dup(int fd); int dup2(int fd, int fd2); 函数返回新的文件描述符，与fd共享同一个文件表项。 说明： 由dup返回的文件描述符一定是当前可用的最小的文件描述符。对于dup2，可以用fd2指定特定的新的文件描述符。如果fd2已经打开，则先将其关闭；如果fd == fd2，则不关闭而直接返回。 |
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复制一个文件描述符的另一种方式是使用fcntl函数：
dup(fd)
等价于：
fcntl(fd, F_DUPFD, 0);
dup2(fd, fd2);
等价于：
close(fd2);
fcntl(fd, F_DUPFD, fd2);
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#include <unistd.h> int fsync(int fd); int fdatasync(int fd); void sync(void); 返回值：成功，0；失败，-1 说明： sync：将修改过的缓冲区数据块放到写队列中，立即返回，而不等待实际写磁盘结束。 fsync：只对fd指定的文件块起作用，并且等待写磁盘结束才返回，同时更新文件的属性部分。 fdatasync：与fsync等价，只是其只关注数据部分，不更新文件属性部分。 |
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#include <fcntl.h> int fcntl(int fd, int cmd, ...); 说明： fcntl函数的5种功能： （1） 复制一个已有的文件描述符（cmd = F_DUPFD或F_DUPFD_CLOEXEC） （2） 获取/设置文件描述符标志（cmd = F_GETFD或F_SETFD） （3） 获取/设置文件状态标志（cmd = F_GETFL或F_SETFL） （4） 获取/设置异步I/O所有权（cmd = F_GETOWN或F_SETOWN） （5） 获取/设置记录锁（cmd = F_GETLK/F_SETLK/F_SETLKW） |
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/dev/fd目录下是名为0、1、2等的文件，打开文件/dev/fd/n等价于复制文件描述符n，因此， fd = open(“/dev/fd/0”, mode);等价于fd = dup(0); |
文件结构
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#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); 返回值：成功，0；失败，-1 stat函数系列返回相关的结构体信息。 fstat返回与fd相关的文件信息/lstat返回符号链接相关的信息/... buf参数是一个结构体指针，由stat系列函数负责填充buf结构体。 |
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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; /* numbers 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 */ } |
Unix文件类型
（1） 普通文件
（2） 目录文件：包含其他文件的名字以及指向这些文件的指针。
（3） 块特殊文件：提供对设备带缓冲的访问，每次访问以固定长度为单位进行。
（4） 字符特殊文件：每次访问长度单位可变（系统中的文件要么是字符特殊文件，要么是块特殊文件）。
（5） FIFO：用于进程间通信。
（6） 套接字：用于进程间的网络通信，也可用于一台主机上的进程之间的非网络通信。
（7） 符号链接：指向另一文件。
可以用如下宏确定文件类型：
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宏 |
文件类型 |
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S_ISREG() |
普通文件 |
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S_ISDIR() |
目录文件 |
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S_ISBLK() |
块特殊文件 |
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S_ISCHR() |
字符特殊文件 |
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S_ISFIFO() |
FIFO |
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S_ISSOCK() |
套接字 |
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S_ISLNK() |
符号链接 |
[root@benxintuzi IO]# cat types.c
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h> int main(int argc, char** argv)
{
int i;
struct stat buf;
char* ptr; for(i = ; i < argc; i++)
{
printf("%s: ", argv[i]);
if(lstat(argv[i], &buf) < )
{
printf("lstat error\n");
continue;
}
if(S_ISREG(buf.st_mode))
ptr = "regular";
else if(S_ISDIR(buf.st_mode))
ptr = "directory";
else if(S_ISBLK(buf.st_mode))
ptr = "block special";
else if(S_ISCHR(buf.st_mode))
ptr = "character 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);
} return ;
} [root@benxintuzi IO]# gcc types.c -o types
[root@benxintuzi IO]# ./types /etc/passwd /etc /dev/tty /dev/cdrom
/etc/passwd: regular
/etc: directory
/dev/tty: character special
/dev/cdrom: symbolic link
文件访问权限
用户ID和组ID：
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实际用户ID 实际组ID |
登录时取自口令文件中的登录项，表明是谁在登录系统 |
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有效用户ID 有效组ID 附属组ID |
表明了对文件的访问权限 |
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设置用户ID 设置组ID |
保存了有效用户ID和有效组ID的副本 |
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通常，有效用户ID等于实际用户ID，有效组ID等于实际组ID |
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所有类型的文件都有访问权限设定，可以分为三类，共有9个权限位：
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st_mode屏蔽 |
说明 |
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S_IRUSR S_IWUSR S_IXUSR |
用户读 用户写 用户执行 |
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S_IRGRP S_IWGRP S_IXGRP |
组读 组写 组执行 |
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S_IROTH S_IWOTH S_IXOTH |
其他读 其他写 其他执行 |
进程每次打开、创建或者删除一个文件时，内核会进行文件访问权限测试，具体如下（顺序执行）：
（1） 若进程的有效用户ID是0（超级用户），则允许访问；
（2） 若进程的有效用户ID等于文件的所有者ID，则根据所有者的权限置位情况开放给用户相应权限；
（3） 若进程的有效组ID等于文件的组ID，则根据组的权限置位情况开放相应权限；
（4） 若其他用户的适当权限位被设置，则开放相应权限。
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#include <unistd.h> int access(const char* pathname, int mode); int faccessat(int fd, const char* pathname, int mode, int flag); 返回值：成功，0；失败，-1 说明： access函数对按实际用户ID和实际组ID进行访问权限测试。 关于mode，如果测试文件存在，则mode设为F_OK；否则设为R_OK/W_OK/X_OK的按位或。 关于flag，如果flag设置为AT_EACCESS，则按有效用户ID和有效组ID进行测试。 |
[root@benxintuzi IO]# cat access.c
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h> int main(int argc, char** argv)
{
if(argc != )
{
printf("usage: execfile <pathname>\n");
return ;
}
if(access(argv[], R_OK) < )
printf("access error for %s\n", argv[]);
else
printf("read access OK\n"); return ;
} [root@benxintuzi IO]# gcc access.c -o access
[root@benxintuzi IO]# ./access
usage: execfile <pathname>
[root@benxintuzi IO]# ./access types.c
read access OK
[root@benxintuzi IO]# ./access types
read access OK
[root@benxintuzi IO]# ./access /
read access OK
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#include <sys/stat.h> mode_t umask(mode_t cmask); 说明： 在进程创建一个新文件或新目录时，必须使用文件模式屏蔽字，其指定了新文件的访问权限位。屏蔽字中为1表示模式中的相应位被关闭。Unix系统的大多数用户从不处理umask值。尽管如此，当创建新文件时，如果我们想确保指定的访问权限已经激活，那么必须在进程运行时修改umask值。 |
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h> #define RWRWRW (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH) int main(void)
{
umask(); # 开放全部权限
if(creat("foo", RWRWRW) < )
printf("create error for foo\n"); umask(S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH); # 关闭组和其他用户的访问权限
if(creat("bar", RWRWRW) < )
printf("create error for bar\n"); return ;
} [root@benxintuzi IO]# ./umask
[root@benxintuzi IO]# ls -l foo bar
-rw-------. root root Aug : bar
-rw-rw-rw-. root root Aug : foo
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#include <sys/stat.h> int chmod(const char* pathname, mode_t mode); int fchmod(int fd, mode_t mode); int fchmodat(int fd, const char* pathname, mode_t mode, int flag); 返回值：成功，0；失败，-1 说明： 函数用于改变现有文件的访问权限。 chmod对指定文件进行操作，fchmod/fchmodat对已打开的文件进行操作。 mode是如下常量的按位或：
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[root@benxintuzi IO]# cat chmod.c
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h> int main(void)
{
struct stat statbuf; /* turn on set-group-ID and turn off group-execute */
if(stat("foo", &statbuf) < )
printf("stat error for foo\n");
if(chmod("foo", (statbuf.st_mode & ~S_IXGRP) | S_ISGID) < )
printf("chmod error for foo"); /* set absolute mode to "rw-r--r--" */
if(chmod("bar", S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH) < )
printf("chmod error for bar"); return ;
} [root@benxintuzi IO]# gcc chmod.c -o chmod
[root@benxintuzi IO]# ./chmod
[root@benxintuzi IO]# ls -l foo bar
-rw-r--r--. root root Aug : bar
-rw-rwSrw-. root root Aug : foo
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#include <unistd.h> int chown(const char* pathname, uid_t owner, gid_t group); int fchown(int fd, uid_t owner, gid_t group); int fchownat(int fd, const char* pathname, uid_t owner, gid_t group, int flag); int lchown(const char* pathname, uid_t owner, gid_t group); 返回值：成功，0；失败，-1 chown函数用于改变文件的用户ID和组ID。 |
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#include <unistd.h> int truncate(const char* pathname, off_t length); int ftruncate(int fd, off_t length); 返回值：成功，0；失败，-1 将文件截断为length个字节。如果文件当前大于length，则截断；如果小于length，则增加。增加的部分数据为0（就是一个空洞）。 |
文件系统
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#include <unistd.h> int link(const char* existingpath, const char* newpath); int linkat(int efd, const char* existingpath, int nfd, const char* newpath, int flag); 返回值：成功，0；失败，-1 说明： 创建一个指向现有文件的链接。 引用现有文件existingpath创建新的newpath，实则是增加一个链接计数。 |
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#include <unistd.h> int unlink(const char* pathname); int unlinkat(int fd, const char* pathname, int flag); 返回值：成功，0；失败，-1 说明： 删除目录项，并将pathname所引用的文件的链接数减1。如果链接计数减少为0，则删除该文件。 |
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#include <stdio.h> int rename(const char* oldname, const char* newname); int renameat(int oldfd, const char* oldname, int newfd, const char* newname); 返回值：成功，0；失败，-1 |
符号链接
硬链接是直接指向文件的i节点，通常要求链接和文件位于同一文件系统中。只有超级用户才能创建指向目录的硬链接。
相对地，符号链接是对一个文件的间接指针，符号链接指向的对象没有特殊限制，任何用户都可以创建指向目录的符号链接。其一般用户将一个文件或目录结构移到系统中的另一个位置。
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#include <unistd.h> int symlink(const char* actualpath, const char* sympath); int symlinkat(const char* actualpath, int fd, const char* sympath); 返回值：成功，0；失败，-1 说明： 创建符号链接。actualpath和sympath可以不位于同一文件系统中。 |
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#include <unistd.h> 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); 返回值：成功，读到的字节数；失败，-1 说明： 由于open函数打开符号链接时，是打开链接指向的实际文件，因此需要readlink打开符号链接本身，将链接本身信息存入buf中。 |
关于时间
每个文件需要维护3个时间字段：
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字段 |
说明 |
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st_atim |
文件的最后访问时间 |
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st_mtim |
文件的最后修改时间 |
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st_ctim |
i节点的最后更改时间 |
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#include <sys/stat.h> int futimens(int fd, const struct timespec times[2]); int utimensat(int fd, const char* path, const struct timespec times[2], int flag); 返回值：成功，0；失败，-1 说明： 函数用于更改一个文件的访问和修改时间，可以精确到纳秒级。 times数组的第一个元素是访问时间，第二个是修改时间，有4种指定方式： （1） 如果times参数是一个空指针，则访问时间和修改时间都设置为当前时间； （2） 如果times参数指向两个timespec结构，并且若timespec结构的tv_nsec字段为UTIME_NOW，则相应时间设为当前时间，忽略对应的tv_sec； （3） 如果times参数指向两个timespec结构，并且若timespec结构的tv_nsec字段为UTIME_OMIT，则相应时间保持不变，忽略对应的tv_sec； （4） 如果times参数指向两个timespec结构，并且若timespec结构的tv_nsec字段既非UTIME_NOW，也非UTIME_OMIT，则相应时间设为tv_sec和tv_nsec。 |
关于目录
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#include <sys/stat.h> int mkdir(const char* pathname, mode_t mode); int mkdirat(int fd, const char* pathname, mode_t mode); #include <unistd.h> int rmdir(const char* pathname); #include <dirent.h> DIR* opendir(const char* pathname); DIR* fdopendir(int fd); struct dirent* readdir(DIR* dp); void rewinddir(DIR* dp); int closedir(DIR* dp); long telldir(DIR* dp); void seekdir(DIR* dp, long loc); #include <unistd.h> int chdir(const char* pathname); int fchdir(int fd); 说明： 更改当前进程的工作目录，不影响其他进程。 #include <unistd.h> char* getcwd(char* buf, size_t size); 返回当前工作目录的绝对路径，存入buf中。 |
设备特殊文件
每个文件系统所在的存储设备都由其主、次设备号表示，数据类型为dev_t。主设备号标识驱动程序，此设备号标识特定的子设备。因此，在同一磁盘驱动器上的各个文件系统通常具有相同的主设备号，但是次设备号却不同。宏major和minor用来访问主、次设备号，Linux将其定义在<sys/sysmacros.h>中，而该头文件又包含在<sys/types.h>中。
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h> int main(int argc, char** argv)
{
int i;
struct stat buf;
for(i = ; i < argc; i++)
{
printf("%s: ", argv[i]);
if(stat(argv[i], &buf) < )
{
printf("stat error\n");
continue;
}
printf("dev = %d/%d ", major(buf.st_dev), minor(buf.st_dev));
if(S_ISCHR(buf.st_mode) || S_ISBLK(buf.st_mode))
{
printf("rdev = %d/%d", major(buf.st_rdev), minor(buf.st_rdev));
}
printf("\n");
} return ;
} [root@benxintuzi IO]# ./dev / /home /dev/tty[]
/: dev = /
/home: dev = /
/dev/tty0: dev = / rdev = /
/dev/tty1: dev = / rdev = /