文件名为空linux,文件系统：隐匿在Linux背后的机制
原標(biāo)題：文件系統(tǒng)：隱匿在Linux背后的機(jī)制
在 Linux 中，最直觀、最可見的部分就是 文件系統(tǒng)(file system) 。下面我們就來一起探討一下關(guān)于 Linux 中國(guó)的文件系統(tǒng)，系統(tǒng)調(diào)用以及文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)背后的原理和思想。這些思想中有一些來源于 MULTICS，現(xiàn)在已經(jīng)被 Windows 等其他操作系統(tǒng)使用。Linux 的設(shè)計(jì)理念就是 小的就是好的(Small is Beautiful) 。雖然 Linux 只是使用了最簡(jiǎn)單的機(jī)制和少量的系統(tǒng)調(diào)用，但是 Linux 卻提供了強(qiáng)大而優(yōu)雅的文件系統(tǒng)。
Linux 文件系統(tǒng)基本概念
Linux 在最初的設(shè)計(jì)是 MINIX1 文件系統(tǒng)，它只支持 14 字節(jié)的文件名，它的最大文件只支持到 64 MB。在 MINIX 1 之后的文件系統(tǒng)是 ext 文件系統(tǒng)。ext 系統(tǒng)相較于 MINIX 1 來說，在支持字節(jié)大小和文件大小上均有很大提升，但是 ext 的速度仍沒有 MINIX 1 快，于是，ext 2 被開發(fā)出來，它能夠支持長(zhǎng)文件名和大文件，而且具有比 MINIX 1 更好的性能。這使他成為 Linux 的主要文件系統(tǒng)。只不過 Linux 會(huì)使用 VFS 曾支持多種文件系統(tǒng)。在 Linux 鏈接時(shí)，用戶可以動(dòng)態(tài)的將不同的文件系統(tǒng)掛載倒 VFS 上。
Linux 中的文件是一個(gè)任意長(zhǎng)度的字節(jié)序列，Linux 中的文件可以包含任意信息，比如 ASCII 碼、二進(jìn)制文件和其他類型的文件是不加區(qū)分的。
為了方便起見，文件可以被組織在一個(gè)目錄中，目錄存儲(chǔ)成文件的形式在很大程度上可以作為文件處理。目錄可以有子目錄，這樣形成有層次的文件系統(tǒng)，Linux 系統(tǒng)下面的根目錄是 / ，它通常包含了多個(gè)子目錄。字符 / 還用于對(duì)目錄名進(jìn)行區(qū)分，例如 /usr/cxuan表示的就是根目錄下面的 usr 目錄，其中有一個(gè)叫做 cxuan 的子目錄。
下面我們介紹一下 Linux 系統(tǒng)根目錄下面的目錄名
/bin ，它是重要的二進(jìn)制應(yīng)用程序，包含二進(jìn)制文件，系統(tǒng)的所有用戶使用的命令都在這里
/boot ，啟動(dòng)包含引導(dǎo)加載程序的相關(guān)文件
/dev ，包含設(shè)備文件，終端文件，USB 或者連接到系統(tǒng)的任何設(shè)備
/etc ，配置文件，啟動(dòng)腳本等，包含所有程序所需要的配置文件，也包含了啟動(dòng)/停止單個(gè)應(yīng)用程序的啟動(dòng)和關(guān)閉 shell 腳本
/home ，本地主要路徑，所有用戶用 home 目錄存儲(chǔ)個(gè)人信息
/lib ，系統(tǒng)庫文件，包含支持位于 /bin 和 /sbin 下的二進(jìn)制庫文件
/lost+found ，在根目錄下提供一個(gè)遺失+查找系統(tǒng)，必須在 root 用戶下才能查看當(dāng)前目錄下的內(nèi)容
/media ，掛載可移動(dòng)介質(zhì)
/mnt ，掛載文件系統(tǒng)
/opt ，提供一個(gè)可選的應(yīng)用程序安裝目錄
/proc ，特殊的動(dòng)態(tài)目錄，用于維護(hù)系統(tǒng)信息和狀態(tài)，包括當(dāng)前運(yùn)行中進(jìn)程信息
/root ，root 用戶的主要目錄文件夾
/sbin ，重要的二進(jìn)制系統(tǒng)文件
/tmp ， 系統(tǒng)和用戶創(chuàng)建的臨時(shí)文件，系統(tǒng)重啟時(shí)，這個(gè)目錄下的文件都會(huì)被刪除
/usr ，包含絕大多數(shù)用戶都能訪問的應(yīng)用程序和文件
/var ，經(jīng)常變化的文件，諸如日志文件或數(shù)據(jù)庫等
在 Linux 中，有兩種路徑，一種是 絕對(duì)路徑(absolute path) ，絕對(duì)路徑告訴你從根目錄下查找文件，絕對(duì)路徑的缺點(diǎn)是太長(zhǎng)而且不太方便。還有一種是 相對(duì)路徑(relative path) ，相對(duì)路徑所在的目錄也叫做 工作目錄(working directory) 。
如果 /usr/local/books 是工作目錄，那么 shell 命令
cp /usr/ local/books/books /usr/ local/books/books-replica
則表示的是絕對(duì)路徑。
在 Linux 中經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)用戶使用另一個(gè)用戶的文件或者使用文件樹結(jié)構(gòu)中的文件。兩個(gè)用戶共享同一個(gè)文件，這個(gè)文件位于某個(gè)用戶的目錄結(jié)構(gòu)中，另一個(gè)用戶需要使用這個(gè)文件時(shí)，必須通過絕對(duì)路徑才能引用到他。如果絕對(duì)路徑很長(zhǎng)，那么每次輸入起來會(huì)變的非常麻煩，所以 Linux 提供了一種 鏈接(link) 機(jī)制。
舉個(gè)例子，下面是一個(gè)使用鏈接之前的圖
以上所示，比如有兩個(gè)工作賬戶 jianshe 和 cxuan，jianshe 想要使用 cxuan 賬戶下的 A 目錄，那么它可能會(huì)輸入 /usr/cxuan/A ，這是一種未使用鏈接之后的圖。
使用鏈接后的示意如下
現(xiàn)在，jianshe 可以創(chuàng)建一個(gè)鏈接來使用 cxuan 下面的目錄了。‘
當(dāng)一個(gè)目錄被創(chuàng)建出來后，有兩個(gè)目錄項(xiàng)也同時(shí)被創(chuàng)建出來，它們就是 . 和 .. ，前者代表工作目錄自身，后者代表該目錄的父目錄，也就是該目錄所在的目錄。這樣一來，在 /usr/jianshe 中訪問 cxuan 中的目錄就是 ../cxuan/xxx
Linux 文件系統(tǒng)不區(qū)分磁盤的，這是什么意思呢？一般來說，一個(gè)磁盤中的文件系統(tǒng)相互之間保持獨(dú)立，如果一個(gè)文件系統(tǒng)目錄想要訪問另一個(gè)磁盤中的文件系統(tǒng)，在 Windows 中你可以像下面這樣。
兩個(gè)文件系統(tǒng)分別在不同的磁盤中，彼此保持獨(dú)立。
而在 Linux 中，是支持 掛載 的，它允許一個(gè)磁盤掛在到另外一個(gè)磁盤上，那么上面的關(guān)系會(huì)變成下面這樣
掛在之后，兩個(gè)文件系統(tǒng)就不再需要關(guān)心文件系統(tǒng)在哪個(gè)磁盤上了，兩個(gè)文件系統(tǒng)彼此可見。
Linux 文件系統(tǒng)的另外一個(gè)特性是支持 加鎖(locking) 。在一些應(yīng)用中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)或者更多的進(jìn)程同時(shí)使用同一個(gè)文件的情況，這樣很可能會(huì)導(dǎo)致 競(jìng)爭(zhēng)條件(race condition) 。一種解決方法是對(duì)其進(jìn)行加不同粒度的鎖，就是為了防止某一個(gè)進(jìn)程只修改某一行記錄從而導(dǎo)致整個(gè)文件都不能使用的情況。
POSIX 提供了一種靈活的、不同粒度級(jí)別的鎖機(jī)制，允許一個(gè)進(jìn)程使用一個(gè)不可分割的操作對(duì)一個(gè)字節(jié)或者整個(gè)文件進(jìn)行加鎖。加鎖機(jī)制要求嘗試加鎖的進(jìn)程指定其 要加鎖的文件，開始位置以及要加鎖的字節(jié)
Linux 系統(tǒng)提供了兩種鎖： 共享鎖和互斥鎖。如果文件的一部分已經(jīng)加上了共享鎖，那么再加排他鎖是不會(huì)成功的；如果文件系統(tǒng)的一部分已經(jīng)被加了互斥鎖，那么在互斥鎖解除之前的任何加鎖都不會(huì)成功。為了成功加鎖、請(qǐng)求加鎖的部分的所有字節(jié)都必須是可用的。
在加鎖階段，進(jìn)程需要設(shè)計(jì)好加鎖失敗后的情況，也就是判斷加鎖失敗后是否選擇阻塞，如果選擇阻塞式，那么當(dāng)已經(jīng)加鎖的進(jìn)程中的鎖被刪除時(shí)，這個(gè)進(jìn)程會(huì)解除阻塞并替換鎖。如果進(jìn)程選擇非阻塞式的，那么就不會(huì)替換這個(gè)鎖，會(huì)立刻從系統(tǒng)調(diào)用中返回，標(biāo)記狀態(tài)碼表示是否加鎖成功，然后進(jìn)程會(huì)選擇下一個(gè)時(shí)間再次嘗試。
加鎖區(qū)域是可以重疊的。下面我們演示了三種不同條件的加鎖區(qū)域。
如上圖所示，A 的共享鎖在第四字節(jié)到第八字節(jié)進(jìn)行加鎖
如上圖所示，進(jìn)程在 A 和 B 上同時(shí)加了共享鎖，其中 6 - 8 字節(jié)是重疊鎖
如上圖所示，進(jìn)程 A 和 B 和 C 同時(shí)加了共享鎖，那么第六字節(jié)和第七字節(jié)是共享鎖。
如果此時(shí)一個(gè)進(jìn)程嘗試在第 6 個(gè)字節(jié)處加鎖，此時(shí)會(huì)設(shè)置失敗并阻塞，由于該區(qū)域被 A B C 同時(shí)加鎖，那么只有等到 A B C 都釋放鎖后，進(jìn)程才能加鎖成功。
Linux 文件系統(tǒng)調(diào)用
許多系統(tǒng)調(diào)用都會(huì)和文件與文件系統(tǒng)有關(guān)。我們首先先看一下對(duì)單個(gè)文件的系統(tǒng)調(diào)用，然后再來看一下對(duì)整個(gè)目錄和文件的系統(tǒng)調(diào)用。
為了創(chuàng)建一個(gè)新的文件，會(huì)使用到 creat 方法，注意沒有 e 。
這里說一個(gè)小插曲，曾經(jīng)有人問 UNIX 創(chuàng)始人 Ken Thompson，如果有機(jī)會(huì)重新寫 UNIX ，你會(huì)怎么辦，他回答自己要把 creat 改成 create ，哈哈哈哈。
這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的兩個(gè)參數(shù)是文件名和保護(hù)模式
lseek( intfildes, off_toffset, intwhence);
lseek 的返回值是更改文件指針后文件中的絕對(duì)位置。lseek 是唯一從來不會(huì)造成真正磁盤查找的系統(tǒng)調(diào)用，它只是更新當(dāng)前的文件位置，這個(gè)文件位置就是內(nèi)存中的數(shù)字。
對(duì)于每個(gè)文件，Linux 都會(huì)跟蹤文件模式(常規(guī)，目錄，特殊文件)，大小，最后修改時(shí)間以及其他信息。程序能夠通過 stat 系統(tǒng)調(diào)用看到這些信息。第一個(gè)參數(shù)就是文件名，第二個(gè)是指向要放置請(qǐng)求信息結(jié)構(gòu)的指針。這些結(jié)構(gòu)的屬性如下圖所示。
fstat 調(diào)用和 stat 相同，只有一點(diǎn)區(qū)別，fstat 可以對(duì)打開文件進(jìn)行操作，而 stat 只能對(duì)路徑進(jìn)行操作。
pipe 文件系統(tǒng)調(diào)用被用來創(chuàng)建 shell 管道。它會(huì)創(chuàng)建一系列的 偽文件 ，來緩沖和管道組件之間的數(shù)據(jù)，并且返回讀取或者寫入緩沖區(qū)的文件描述符。在管道中，像是如下操作
sort
sort 進(jìn)程將會(huì)輸出到文件描述符1，也就是標(biāo)準(zhǔn)輸出，寫入管道中，而 head 進(jìn)程將從管道中讀入。在這種方式中，sort 只是從文件描述符 0 中讀取并寫入到文件描述符 1 (管道)中，甚至不知道它們已經(jīng)被重定向了。如果沒有重定向的話，sort 會(huì)自動(dòng)的從鍵盤讀入并輸出到屏幕中。
最后一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用是 fcntl ，它用來鎖定和解鎖文件，應(yīng)用共享鎖和互斥鎖，或者是執(zhí)行一些文件相關(guān)的其他操作。
現(xiàn)在我們來關(guān)心一下和整體目錄和文件系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用，而不是把精力放在單個(gè)的文件上，下面列出了這些系統(tǒng)調(diào)用，我們一起來看一下。
系統(tǒng)調(diào)用
描述
s = mkdir(path,mode)
創(chuàng)建一個(gè)新的目錄
s = rmdir(path)
移除一個(gè)目錄
s = link(oldpath,newpath)
創(chuàng)建指向已有文件的鏈接
s = unlink(path)
取消文件的鏈接
s = chdir(path)
改變工作目錄
dir = opendir(path)
打開一個(gè)目錄讀取
s = closedir(dir)
關(guān)閉一個(gè)目錄
dirent = readdir(dir)
讀取一個(gè)目錄項(xiàng)
rewinddir(dir)
回轉(zhuǎn)目錄使其在此使用
可以使用 mkdir 和 rmdir 創(chuàng)建和刪除目錄。但是需要注意，只有目錄為空時(shí)才可以刪除。
創(chuàng)建一個(gè)指向已有文件的鏈接時(shí)會(huì)創(chuàng)建一個(gè) 目錄項(xiàng)(directory entry) 。系統(tǒng)調(diào)用 link 來創(chuàng)建鏈接，oldpath 代表已有的路徑，newpath 代表需要鏈接的路徑，使用 unlink 可以刪除目錄項(xiàng)。當(dāng)文件的最后一個(gè)鏈接被刪除時(shí)，這個(gè)文件會(huì)被自動(dòng)刪除。
使用 chdir 系統(tǒng)調(diào)用可以改變工作目錄。
最后四個(gè)系統(tǒng)調(diào)用是用于讀取目錄的。和普通文件類似，他們可以被打開、關(guān)閉和讀取。每次調(diào)用 readdir 都會(huì)以固定的格式返回一個(gè)目錄項(xiàng)。用戶不能對(duì)目錄執(zhí)行寫操作，但是可以使用 creat 或者 link 在文件夾中創(chuàng)建一個(gè)目錄，或使用 unlink 刪除一個(gè)目錄。用戶不能在目錄中查找某個(gè)特定文件，但是可以使用 rewindir 作用于一個(gè)打開的目錄，使他能在此從頭開始讀取。
責(zé)任編輯：
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的文件名为空linux,文件系统：隐匿在Linux背后的机制的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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