Linux操作系统—文件(1)(2015-7-21)
分类：Linux操作系统
总述：
在LINUX中，几乎任何事物都可以用一个文件来表示。Linux中的文件类型多样，既包含普通的磁盘文件，也包含特殊的硬件设备文件，管道（PIPE）文件，套接字（socket）文件和目录文件等。在C语言的编程环境中，与文件有关的操作主要是I/O（输入输出）操作。Linux环境下的I/O操作分为两类：
- 基于文件描述符的底层系统调用I/O
- 基于流的C语言标准库函数调用I/O
基于文件描述符的底层系统调用I/O
一：Linux文件I/O概述
Linux中，文件系统被组织成一树的形状，树枝是目录，树叶是文件。其中的目录也是一类特殊的文件。另外，Linux中用于进程间通信的管道和用于网络通信的socket，也都以文件接口的方式提供服务。因此，文件操作编程是其它应用编程的基础之一。
文件为操作系统服务和设备提供了一个简单而一致的接口，大多数Linux文件I/O只需要用到5个函数：open, read, write, lseek和close。除此之外，使用stat, access等其它I/O函数可以获取或设置文件的状态和权限等信息。对于目录文件的操作，Linux则提供了一些简单而特殊的编程接口。
文件和目录
- 文件的属性被保存在文件的索引节点(inode)中。
索引节点是文件系统中的一个特殊的数据块，用以保存文件自身的属性，包含了如下的信息：
- 文件使用的设备
- 索引节点号
- 文件访问权限和文件类型
- 文件的硬连接数
- 所有者的用户ID
- 组ID
- 设备文件的设备号
- 文件大小（单位为字节）
- 包含该文件的磁盘块的大小
- 该文件所占的磁盘块
- 文件的最后访问时间
- 文件的最后修改时间
- 文件状态的最后改变时间
什么是目录？Linux文件系统将文件的索引节点号和文件名同时保存在目录中。目录是用于保存其它文件的节点号和名字的文件，是将文件的名称和它的索引节点号结合在一起的一张表。目录中每一对文件名称和索引节点号称为一个“连接”。目录文件中的每个数据项都是指向某个文件节点的连接。删除一个文件时，实质上是删除目录中与该文件对应的数据项，同时将文件的连接数减1。
- 通常文件中包含一定的数据，磁盘中的普通文件和目录文件都有相应的磁盘区域存储数据。这些数据是存储在由索引节点指定的位置上的。而其他一些文件，如设备文件等，则不具有这样的磁盘存储区域。
文件和设备
硬件设备在Linux中通常也被映射为文件。这些设备文件被放在Linux的/dev目录下。硬件设备可分为字符设备和块设备，两者的区别在于是否需要一次读写一整块，比如：
- 键盘：是一种字符设备，一次仅能读取一个字节。
- 硬盘：是一种块设备，每次至少读写一个扇区
Linux环境下一类比较重要的设备是终端设备。终端是一种字符设备，它有多种类型，通常使用tty来简称各种类型的终端设备。tty是Teletype的缩写。比较重要的终端设备有：
- 控制终端：代表进程的控制终端（键盘和显示屏或键盘和窗口）
- 控制台终端：代表控制台。错误信息和诊断信息通常会被发送到这个设备（打印终端，虚拟控制台，控制台窗口）
- /dev/null：代表空设备，所有写向这个设备的输出都将被丢弃，而读设备会立即返回文件尾标志。空设备通常用于输出重定向，以忽略某些错误输出。
系统调用和标准函数库
- 系统调用：UNIX/Linux内核直接提供的编程接口，在内核空间运行。
- C语言标准函数库：由一些函数构成的集合，完全运行在用户空间，其中可能使用系统调用来完成诸如访问硬件设备的底层功能。
注意：直接使用底层系统调用进行I/O操作的效率非常底下。原因如下：
1. 执行系统调用时，Linux必须从用户空间切换到内核空间，然后再切换回来。
2. 硬件会限制系统调用一次所读写的数据块大小，如块设备。
为此，应让每次系统调用完成尽可能多的工作。这正是C语言标准函数库所做的。C语言标准函数库带有缓冲机制，允许在缓冲区满或必须的情况下才使用底层的系统调用，这样减少了系统调用的次数，提供了效率。另外，有的库函数完全不用系统调用，只在用户空间完成特定的功能。