Unix/Linux编程：文件、目录的工程过程&cat工作原理

柔情只为你懂 2022-10-16 02:59 62阅读 0赞

# 创建一个文件的过程 #

文件的内容和属性分区存放的想法看起来很简单，但实际上它是如何工作的呢？创建一个新文件时又发生什么？考虑如下命令：

$ who > userlist

当这个命令完成时，文件系统中增加了一个存放命令who输出内容的新文件：

$ cat userlist 
    oceanstar :0           2021-05-24 18:06 (:0)
    oceanstar pts/3        2021-05-26 09:57 (:0)

文件有内容和属性，内核将文件内容存放在数据区，文件属性存放在i-节点，文件名存放在目录：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
创建一个新文件的四个主要步骤如下：

（1） 存储属性

文件属性的存储：内核先找到一个空的i-节点。上面内核找到i-节点47。内核把文件的信息记录在其中

（2）存储数据

文件内容的存储：假设该新文件需要三个存储磁盘块，那么内核从自由块的列表中找出三个自由块。上面它找到块627、200、992。内核缓冲区的第一块数据复制到块627，下一块数据复制到块200，最后一个数据复制到块992

（3）记录分配情况

文件内容按照顺序放在块627、200和992中。内核在i-节点的磁盘分布区记录了上述的块序列。磁盘分布区是一个磁盘块序号的列表，这三个编号放在最开始的三个位置

（4）添加文件名到目录  
新文件的名字是userlist。Unix如何在当前的目录中记录这个文件？很简单。内核将入口（47，userlist）添加到目录文件。文件名和i-节点号之间的对应关系将文件名和文件的内容以及属性链接了起来

# 目录的工作过程 #

目录是一种包含了文件名字列表的特殊文件。不同版本的Unix目录的内部结构不同，但是它们的抽象模型总是一致的------一个包含i-节点号和文件名的表  
![在这里插入图片描述][202105261630595.png]

（1）探讨目录内部：

$ ls -1ia .
    607245955 .
       719879 ..
    134680609 logs
    607245974 thermal_detection

输出的是文件名和对应的i-节点号。 比如，当前目录的i节点号是607245955 ，这意味着有关大小、文件所有者、组等各项关于当前目录的信息存放在i-节点号中的编号为607245955 的结构中

（2）指向同一文件的多重链接：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
上面，xfer.log和transfers的两个文件都指向i-节点号183，即，这两个文件都指向同一个i-节点。i-节点实际上代表了一个文件（i-节点包含了文件的属性和数据块的列表）。也就是说，xfer.log和transfers是同一个文件的两个别名

上面的`.`和`..`都i-节点号都是2，也就是说`.`和`..`指向同一个目录。大多数情况下，当前目录和父目录是不同的，但是根目录是例外：当前Unix命令mkfs创建了一个文件系统，mkfd将根目录的父目录指向自己

# cat命令的工作原理 #

当读取一个文件时：

$ cat userlist 
    oceanstar :0           2021-05-24 18:06 (:0)
    oceanstar pts/3        2021-05-26 09:57 (:0)

是怎么工作的呢？

（1）在目录中寻找文件名

文件名存储在目录文件中。内核在目录文件中寻找包含字符串oceanstar 的记录。oceanstar 所在的记录包含编号为47的i-节点号

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
（2）定位i-节点号47并读取器内容  
内核在文件系统中的i-节点区域找到i-节点47。定位一个i-节点可能需要一些简单的计算，所有的i-节点号大小相同，每个磁盘块都包含相同数量的i-节点。为了提高访问效率，内核有可能将i-节点置于缓冲区中。i-节点包含数据块编号的列表

（3）访问存储文件内容的数据块

通过以上调用构成，内核已经可以知道文件内容存放在哪些数据块上，以及它们的顺序。由于cat不断的调用read函数，使得内核不断将字节从磁盘复制到内核缓存区，进而到达用户空间

所有从文件读取数据的命令，比如，cat、cp、more、who等，都是将文件名传给open来访问文件内容，对open的每次调用都是先在目录中寻找文件名，然后根据目录中的i-节点号获得文件的属性，最终找到文件的内容。

假如open一个没有读或者写权限的文件时：内核首先根据文件名找到i-节点号，然后根据i-节点号找到i-节点。在i-节点中，内核找到文件的权限位和拥有者的用户ID。如果权限位设置你的用户ID对文件没有访问权限，则open返回-1并将errno置为EPERM。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221014/6e3f65b1c9704655897755e97c6a319b.png
[202105261630595.png]: /images/20221014/a7539a3a78d44290ac8589164795308a.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221014/1b98db5c81ef4defabe2bf44def784ca.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210526164737724.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg==,size_16,color_FFFFFF,t_70