1 文件、目錄操作與實現ls的思路

課程內容#

文件操作#

【引入】之前學過的 cp、mv、cat 命令，都涉及到文件的讀寫
- cp：讀→寫
- mv：讀→寫→刪
- cat：讀→寫
上面這些步驟是如何實現的呢？

【底層操作，基於文件描述符】

open#

打開或創建一個文件 [別名：openat、create]

man 2 open【關注函數原型及描述】
原型
- 返回值 int：文件描述符或 -1
  - 常用文件描述符：0-stdin、1-stdout、2-stderr
  - -1：發生錯誤，並會設置 errno [可供 perror 使用，見代碼演示]
- flags：文件的打開方式
- [PS] 不需要特意記頭文件
描述
- 系統調用 [system call]：幫助你做你沒有權限做的事情
- 如果 open 的文件不存在，可能會新建該文件 [當 flags 裡定義了 O_CREAT]
  - O_CREAT
    - open 函數的 flag
    - C 語言體系中，全大寫表示宏定義
    - 底層是一個 int 型數據，叫做位掩碼
      - 32 位，可表示 32 種狀態，每一位表示一種狀態
      - 狀態之間可使用與、或、異或的方式轉換
- 文件描述符 [file descriptor]
  - 小、非負、後續系統可調用 [read、write...]
  - 返回值永遠是當前進程中可以取的最小的數字
    - 可用來判斷文件數量 [如果返回 1000，當前文件數量一定超過 1000 了]
- 打開文件後，文件指針默認在文件頭部
- 文件描述 [file description]
  - 每次調用 open 會創建一個新的 open 文件描述，它是系統全局文件表中的一條信息
    - 記錄文件偏移量和文件的狀態
  - [PS] 文件描述符是一個 open 文件描述的引用，不因 pathname 的改變而受影響
- ⭐flags
  - 必須包含 O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR 中的一個
  - flag 之間用位或組合
  - O_CREAT 創建
  - O_TRUNC 截斷
  - O_DIRECT 直接 IO
    - 直接 IO—— 同步寫，文件會直接寫進去，而不經過緩衝
    - 緩衝 IO
      - 緩衝結束條件：① 攒到一堆數據；② 等固定時間
        
        往磁碟寫一個字符 a，不會馬上寫入磁碟，可以減小成本
        
        但斷電時易丟失數據
        
        [PS]
        
        磁碟的最小單元是塊，每個塊是 4K
        
        所以磁碟又叫塊設備
        
        類似 printf 輸出到 stdout 的條件 [行緩衝]
        
        遇到回車 / 程序結束，系統自動沖洗緩衝區
        
        緩衝區滿，自動沖洗
        
        fflush 函數，手動沖洗
  - O_NONBLOCK 非阻塞 IO
    - 阻塞
      - 如：scanf 的時候，要等標準輸入流中有輸入才能進行後面的操作
      - 缺點：浪費資源
    - 非阻塞
      - 不會等
      - 缺點
        
        需頻繁回來查看，也浪費資源
        
        需有某種機制監測，花費技術成本
  - O_TMPFILE 創建臨時文件
    - 進程運行結束後文件就會被刪除，交易關閉也會
    - 類似系統的臨時文件夾 /tmp
❗ 底層讀寫文件前，需要調用 open 函數獲得文件描述符

read#

通過文件描述符讀取數據

man read
原型
- 返回值 ssize_t：讀取的字節數或 -1
  - 以_t 結尾，一般是用戶自定義類型
  - 猜測：也是基本類型之一，可能是 long long，可能是 int
  - 通過 ctags 一步步找具體類型：ctrl + ] 、ctrl + o
    - 答案：int [32 位系統下]；long int [64 位系統下]
    - [PS] 按理說，32 位系統下，long int 大小等同於 int
- buf、count：每次最多讀取 count 字節數據到 buf 中
描述 + 返回值
- 嘗試讀取最多 count 字節到 buffer 中
  - 讀取字節數達不到 count 的情況：被人中斷 [signal]；數據本身不足 count 大小
- 每成功讀取 num [≤ count] 字節數據，文件偏移量 [像指針] 會自動往後走 num 大小
  - 如果文件偏移量在 EOF [沒有數據可讀了]，函數返回 0
- count
  - 如果設為 0，錯誤可能被檢測出來，如果沒有檢測到錯誤，返回 0
  - 如果大於 SSIZE_MAX [int /long int 的最大值]，返回的結果將是定義好的 [POSIX.1 標準]
- 返回值
  - ≤ count
  - 出錯時返回 - 1，並會設置 errno
[PS] ERRORS
- EAGAIN
  - 讀文件 [包括 socket] 的時候，儘管文件已被設置為 O_NONBLOCK，read 將會阻塞

write#

通過文件描述符寫數據

man 2 write
原型
- 與 read 很相似
描述 + 返回值
- 與 read 很相似
- 寫的字節數達不到 count 的情況：物理空間不夠；系統資源限制；被 signal 中斷
- open 文件時設置了 O_APPEND [追加]
  - 文件偏移量 [offset] 在文件末尾，寫操作會追加
  - 否則放在開頭，寫操作會覆寫

close#

關閉一個文件描述符

man close
原型
主要就是關閉文件描述符
[PS]
- 記錄鎖將被移除
- 特殊情況
  - close 的是文件描述的最後一個文件描述符，文件描述對應的資源會被釋放
  - close 的是文件的最後一個引用的文件描述符，文件將會被刪除
- 暫時不用在意內核具體做了什麼

【標準文件操作，基於文件指針】

<stdio.h>

fopen#

通過流打開文件

man fopen
原型
- 返回值 FILE *：文件指針
  - 早期是宏定義，這裡大寫是為了兼容性
- mode
  - 類型是 char *，而不是 int
描述
- 關聯一個流 [stream]
  - [PS] 網絡上發布數據，字節流；文件流 < 類型：FILE *>
- mode
  - r /r+：讀 / 讀寫
    - 流在文件開始
  - w /w+：讀 / 讀寫
    - 流在文件開始
    - 文件存在，截斷文件 [打開就會將原數據清除]
    - 文件不存在，創建文件
  - a /a+：追加 / 讀與追加
    - 追加時，流在 EOF；讀時，流在文件開始
    - 文件不存在就會創建
  - +：讀寫通吃
  - [PS]
    - b：可以在 mode 字符串的最後或者兩個字符之間，可用於處理二進制文件，但在 Linux 上一般沒有效果
    - ❓ 任何被創建的文件會被進程的 umask value 修正
返回值
- 成功時，返回文件指針
- 出錯時，返回 NULL，並設置 errno

fread、fwrite#

二進制流的 IO

man fread / fwrite
fread：從 stream 中讀 nmeb 次數據 [size 字節 / 次] 到 ptr
fwrite：把 ptr 的數據寫 nmeb 次數據 [size 字節 / 次] 到 stream
返回值 size_t：讀 / 寫的 items 數量 [成功]
- [無符號的 ssize_t]
- 發生錯誤或提前遇到 EOF 時 👉 0 ≤ 返回值 < nmeb
  - ❗ 所以不能通過返回值區分 EOF 和錯誤，需使用 feof、ferror 確認
- [PS] 當 size 為 1 時，返回值等於傳輸的字節數

fclose#

刷新流並關閉文件描述符

man fclose
刷新流實際調用的是 fflush
返回值
- 0 [成功]
- -1 (EOF)，並設置 errno [失敗]
- 未定義行為 [傳入的是一個非法指針或已經被 fclose 過]
⭐標準 IO 裡的所有操作都是緩衝 IO
- 本身沒有權限寫，需等待內核控制
❓ 標準 IO 更適合文本 [用戶]，底層的 IO 更適合二進制文件

目錄操作#

本質上也是文件 [早期可以直接 open]

opendir#

man opendir
返回值 DIR *：目錄流指針或 NULL
- 目錄流默認被放置在目錄的第一個條目
- 發生錯誤時，返回 NULL，並設置 errno

readdir#

man readdir
返回值 struct dirent *：目錄項或 NULL
- 目錄流中下一個目錄項 [構造體] 的指針
  - 構造體的主要字段：d_ino、d_name
  - [PS]
    - 一次一次地返回下一個文件
    - d_off：與 telldir 返回的值一樣，又類似 ftell ()
      - 此 offset [每個文件的大小不同] 與一般意義 [字節為單位] 上的不一樣
      - ftell () 獲取當前文件所在位置指示器的值
- NULL [遇到目錄流結尾或發生錯誤時]

closedir#

實現 ls -al 的基本思路#

ls -al 效果
- 需要的信息有：文件權限、連接數、用戶名、組名、文件大小、修改時間、文件名
思路
- readdir()
  - man readdir
  - 讀取目錄裡的每一個文件
  - 可獲取文件名
- stat()、lstat()
  - man 2 stat
  - 根據文件路徑獲取文件信息：stat 結構體
  - 可獲取文件權限、硬連接數、uid、gid、文件大小、修改時間
  - 可參考裡面的 EXAMPLE：lstat
  - lstat () 和 stat () 的區別
    - lstat () 可以查看軟連接的信息，而不會跳到軟連接指向的文件
- getpwuid()
  - man getpwuid
  - 根據 uid 獲取 passwd 結構體
  - 可獲取對應的用戶名
- getgrgid
  - man getgrgid
  - 根據 gid 獲取 group 結構體
  - 可獲取對應的組名
- 如果自己去實現 → 讀文件、切分
  - 用戶信息：/etc/passwd
  - 組的信息：/etc/group
其他細節
- 顏色
- 排序
- 純 ls 命令輸出的顯示列數隨寬度變化
  - 獲取終端大小
  - 參考 ioctl，man ioctl
- 列寬如何確定，可用暴力方式、二分查找、慢慢逼近

代碼演示#

底層文件操作#

⭐ 詳見註釋，關注使用
❗ 避免亂碼情況
- 字符串 buff 末尾留一位放 '\0'
  - sizeof(buff) - 1
- 最後一次不足 512 字節的讀取，需要排除多餘字節的干擾
  - 方法①：手動 menset (buff, 0, sizeof (buff))
  - 方法②：始終保持數據末尾是 '\0'，buff [nread] = '\0'
- [PS] 學習系統上層命令時，不必太關注這些
perror 打印一個系統錯誤信息
- man 3 perror
- 原型
  - fopen 等發生錯誤時就會設置 errno
- 描述
  - 在 stderr 上輸出上一次調用的錯誤信息
  - s 通常包含函數的名稱
建一個常用的 common 頭文件夾，放常用的頭文件
- head.h