文件系统机制

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POSIX 文件系统与目录机制总结

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一、文件系统核心机制

1. 树状目录结构
2. 根目录：以 / 为起点，所有文件和目录形成层次化树状结构。
3. 路径表示：
   • 绝对路径：从根目录开始（如 /home/user/file.txt）。
   • 相对路径：从当前工作目录（CWD）开始（如 ../documents/）。

4. 特殊目录：

   • .：当前目录。
   • ..：父目录。

5. 文件类型
   POSIX 定义多种文件类型，可通过 stat() 的 st_mode 字段判断：

类型	标识宏	说明
普通文件	S_ISREG()	文本、二进制等常规数据文件。
目录	S_ISDIR()	包含其他文件或子目录的容器。
符号链接	S_ISLNK()	指向其他文件路径的快捷方式。
字符设备/块设备	S_ISCHR()/S_ISBLK()	硬件设备抽象（如终端、磁盘）。
FIFO（命名管道）	S_ISFIFO()	进程间通信的先进先出队列。
套接字	S_ISSOCK()	网络或进程间通信的端点。

1. Inode 元数据
   • 唯一标识：每个文件对应一个 inode，存储元信息（权限、大小、时间戳等）。
   • 获取方式：通过 stat()、fstat()、lstat() 获取 struct stat 结构体。
   • 关键字段：
     

     struct stat {
         ino_t st_ino;     // Inode 编号
         mode_t st_mode;    // 文件类型和权限
         nlink_t st_nlink; // 硬链接数
         uid_t st_uid;     // 所有者用户 ID
         gid_t st_gid;     // 所有者组 ID
         off_t st_size;     // 文件大小（字节）
         time_t st_mtime;  // 最后修改时间
         // ...
     };
     

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二、目录操作机制

1. 目录遍历

   • 核心函数：
     • DIR *opendir(const char *name)：打开目录，返回目录流指针。
     • struct dirent *readdir(DIR *dirp)：读取目录项，返回 dirent 结构体。
       

       struct dirent {
           ino_t d_ino;       // Inode 编号
           char d_name[256];  // 文件名
           // ...
       };
       

     • closedir(DIR *dirp)：关闭目录流。
   • 示例：递归遍历目录树需自行实现（结合 S_ISDIR 判断子目录）。

2. 目录创建与删除

   • int mkdir(const char *pathname, mode_t mode)：创建目录，权限由 mode 指定（受 umask 影响）。
   • int rmdir(const char *pathname)：删除空目录。
   • 注意：删除非空目录需递归删除其内容（POSIX 未提供直接支持，需手动实现）。

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三、文件链接机制

1. 硬链接（Hard Link）

   • 机制：通过 link(const char *oldpath, const char *newpath) 创建，多个文件名指向同一 inode。
   • 特性：
     • 不能跨文件系统（同一设备）。
     • 删除原文件不影响硬链接（inode 引用计数减 1）。

2. 符号链接（Symbolic Link）

   • 机制：通过 symlink(const char *target, const char *linkpath) 创建，存储目标文件路径。
   • 特性：
     • 可跨文件系统。
     • 目标文件删除后，符号链接成为“悬空链接”（ENOENT 错误）。
   • 读取内容：使用 readlink() 获取链接指向的实际路径。

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四、权限与所有权

1. 权限控制

   • 权限位：
     • 用户（Owner）、组（Group）、其他（Others）的读（r）、写（w）、执行（x）权限。
     • 特殊权限位：
       • setuid：执行时以文件所有者权限运行。
       • setgid：目录中新文件继承组 ID。
       • 粘滞位（Sticky Bit）：仅文件所有者可删除/重命名（如 /tmp 目录）。
   • 函数：
     • chmod(const char *path, mode_t mode)：修改权限。
     • umask(mode_t mask)：设置进程的文件创建权限掩码（默认屏蔽位）。

2. 所有权管理

   • 函数：
     • chown(const char *path, uid_t owner, gid_t group)：修改文件所有者和组。
     • lchown()：修改符号链接自身所有权（而非目标文件）。

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五、文件系统操作函数

1. 路径解析

   • char *realpath(const char *path, char *resolved_path)：解析绝对路径，消除符号链接。
   • int access(const char *path, int mode)：检查路径访问权限（F_OK、R_OK、W_OK、X_OK）。

2. 工作目录管理

   • char *getcwd(char *buf, size_t size)：获取当前工作目录。
   • int chdir(const char *path)：切换当前工作目录。

3. 文件删除

   • int unlink(const char *pathname)：删除文件（减少 inode 引用计数，引用为 0 时释放）。
   • int remove(const char *pathname)：等价于 unlink()（文件）或 rmdir()（目录）。

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六、挂载与文件系统管理

1. 挂载机制

   • 挂载点：通过 mount() 将设备或虚拟文件系统附加到目录树（具体实现依赖操作系统）。
   • 卸载：umount() 或 umount2() 解除挂载。

2. 文件系统信息

   • int statvfs(const char *path, struct statvfs *buf)：获取文件系统统计信息（如块大小、总空间、可用空间）。
     

     struct statvfs {
         unsigned long f_bsize;   // 文件系统块大小
         fsblkcnt_t f_blocks;     // 总块数
         fsblkcnt_t f_bfree;      // 空闲块数
         fsblkcnt_t f_bavail;     // 非特权用户可用块数
         // ...
     };
     

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七、关键设计思想

1. 统一抽象

   • 所有资源（文件、设备、管道等）均以文件形式呈现，简化操作接口。

2. 权限分离

   • 通过用户/组权限和特殊位实现精细的访问控制。

3. 软硬链接分离

   • 硬链接保证数据持久性，符号链接提供灵活性。

4. 可扩展性

   • 支持多种文件系统类型（如 ext4、FAT、NFS）通过挂载机制无缝集成。

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八、总结

机制	核心功能	关键函数/操作
目录结构	树状层次化管理文件	opendir/readdir/mkdir
文件类型	区分普通文件、目录、设备等	stat()/S_ISDIR()
链接机制	硬链接共享数据，符号链接跨文件系统	link()/symlink()/readlink()
权限控制	用户/组/其他权限 + 特殊位	chmod()/chown()
文件系统管理	挂载、空间查询、路径解析	mount()/statvfs()/realpath()

• 应用场景：
  • 文件搜索工具：结合目录遍历与权限检查。
  • 备份系统：利用硬链接减少存储冗余。
  • 多用户环境：通过权限位隔离数据访问。