《UNIX环境高级编程》读书笔记05: 文件和目录

作者: andylin02
学习章节: 第4章 文件和目录
关键词： stat/lstat/fstatat、文件类型、文件权限、umask、chmod、chown、硬链接、符号链接、目录遍历、文件时间戳

一、引言：从文件I/O到文件属性的跨越

上一章我们聚焦于文件I/O的五个核心系统调用，理解了如何读写文件数据。本章更进一步，将目光投向文件本身——不仅仅是数据，还包括文件的元数据。第3章关注“文件的内容是什么”，第4章关注“文件是什么”。前者是读写数据，后者是理解文件的身份、权限、类型和时间等属性，二者构成了Unix文件操作的两大基石。

本章的学习目标：掌握如何获取和修改文件的元数据，理解Unix文件系统的组织结构，学会遍历目录和操作文件权限。

二、stat函数族：获取文件属性

2.1 stat、fstat、lstat和fstatat

UNIX系统提供了四个stat函数，用于获取文件的属性信息：

#include <sys/stat.h> int stat(const char *restrict pathname, struct stat *restrict buf); int fstat(int fd, struct stat *buf); int lstat(const char *restrict pathname, struct stat *restrict buf); int fstatat(int fd, const char *restrict pathname, struct stat *restrict buf, int flag);

关键区别：当文件是符号链接时，stat返回链接所指向的文件的信息，而lstat返回符号链接本身的信息。在遍历目录树时，使用lstat可以正确识别符号链接本身，而不是陷入无限循环。

2.2 stat结构体

这四个函数通过buf指针填充一个struct stat结构体。虽然具体实现可能有所不同，但其基本形式如下：

struct stat { mode_t st_mode; // 文件类型和访问权限 ino_t st_ino; // i节点号 dev_t st_dev; // 文件所在设备的设备号 dev_t st_rdev; // 特殊文件的设备号 nlink_t st_nlink; // 硬链接数 uid_t st_uid; // 文件所有者的用户ID gid_t st_gid; // 文件所有者的组ID off_t st_size; // 文件大小（字节数） struct timespec st_atime; // 最后访问时间 struct timespec st_mtime; // 最后修改时间 struct timespec st_ctime; // 最后状态更改时间 blksize_t st_blksize; // 最佳I/O块大小 blkcnt_t st_blocks; // 分配的磁盘块数 };

POSIX.1与XSI扩展：POSIX.1未要求st_rdev、st_blksize和st_blocks字段，Single UNIX Specification的XSI扩展才定义了这些字段。timespec结构按照秒和纳秒提供了更高精度的时间戳，为了保持兼容性，旧的名字可以定义为tv_sec成员。

三、文件类型

3.1 UNIX的七种文件类型

UNIX/Linux系统将文件分为7种类型，通过stat结构的st_mode成员判断：

3.2 判断文件类型的代码示例

#include "apue.h" int main(int argc, char *argv[]) { int i; struct stat buf; char *ptr; for (i = 1; i < argc; i++) { printf("%s: ", argv[i]); if (lstat(argv[i], &buf) < 0) { err_ret("lstat error"); continue; } if (S_ISREG(buf.st_mode)) ptr = "regular"; else if (S_ISDIR(buf.st_mode)) ptr = "directory"; else if (S_ISCHR(buf.st_mode)) ptr = "character special"; else if (S_ISBLK(buf.st_mode)) ptr = "block special"; else if (S_ISFIFO(buf.st_mode)) ptr = "fifo"; else if (S_ISLNK(buf.st_mode)) ptr = "symbolic link"; else if (S_ISSOCK(buf.st_mode)) ptr = "socket"; else ptr = "** unknown mode **"; printf("%s\n", ptr); } exit(0); }

为什么使用lstat而不是stat？lstat返回符号链接本身的信息，而stat会跟随符号链接返回目标文件的信息。用lstat可以正确识别符号链接这种文件类型。

四、文件访问权限

4.1 九个基本权限位

每个文件有9个访问权限位，取自<sys/stat.h>：

4.2 目录执行权限的含义

对于目录，执行权限位常被称为搜索位。打开任一类型的文件时，对该路径名的每一级目录都必须具有执行权限。

4.3 新文件和目录的所有权

当创建一个新文件时：

• 用户ID：设置为进程的有效用户ID

• 组ID：可以是进程的有效组ID，也可以是所在目录的组ID（若目录设置了setgid位）

五、umask函数：文件创建掩码

umask函数为进程设置文件模式创建屏蔽字，并返回之前的值：

#include <sys/stat.h> mode_t umask(mode_t cmask);

工作原理：umask的功能是创建新文件时屏蔽掉用户不希望生效的权限位。对于文件，权限的最大值是666（不允许直接赋予执行权限）；目录则允许777。

示例：创建两个文件，第一个的umask为0，第二个的umask值禁止所有组和其他用户的访问权限。

#include "apue.h" #include <fcntl.h> #define RWRWRW (S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH) int main(void) { umask(0); if (creat("foo", RWRWRW) < 0) err_sys("creat error for foo"); umask(S_IRGRP | S_IWGRP | S_IROTH | S_IWOTH); if (creat("bar", RWRWRW) < 0) err_sys("creat error for bar"); exit(0); }

运行结果：

• foo：权限为-rw-rw-rw-（umask=0）

• bar：权限为-rw-------（umask禁止了组和其他用户的读写）

📌常用umask值：002（阻止其他用户写）、022（阻止同组成员和其他用户写）、027（阻止同组成员写，阻止其他用户读写执行）。

六、chmod和fchmod函数

chmod和fchmod用于更改已有文件的访问权限：

#include <sys/stat.h> int chmod(const char *pathname, mode_t mode); int fchmod(int fd, mode_t mode);

权限要求：要修改文件权限，进程的有效用户ID必须等于文件的所有者ID，或者进程具有超级用户权限。

示例：修改文件权限

#include "apue.h" int main(void) { struct stat statbuf; // 打开set-group-ID位，关闭组执行位 if (stat("foo", &statbuf) < 0) err_sys("stat error for foo"); if (chmod("foo", (statbuf.st_mode & ~S_IXGRP) | S_ISGID) < 0) err_sys("chmod error for foo"); // 设置绝对模式为 rw-r--r-- if (chmod("bar", S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH) < 0) err_sys("chmod error for bar"); exit(0); }

七、粘着位（Sticky Bit）

粘着位（S_ISVTX）在历史上用于普通文件的交换区保存，现代系统对目录设置了粘着位后，只有目录所有者、文件所有者或超级用户才能删除或重命名目录中的文件。这个特性常用于/tmp和/var/tmp等共享目录，防止用户删除其他用户的临时文件。

📌普通文件的粘着位：只有超级用户可以设置普通文件的粘着位，以防止不怀好意的用户设置粘住位。

八、硬链接与符号链接

8.1 链接函数

#include <unistd.h> int link(const char *existingpath, const char *newpath); // 创建硬链接 int unlink(const char *pathname); // 删除目录项 int symlink(const char *actualpath, const char *sympath); // 创建符号链接 ssize_t readlink(const char *pathname, char *buf, size_t bufsize); // 读符号链接 int remove(const char *pathname); // 对文件=unlink，对目录=rmdir int rename(const char *old, const char *new);

8.2 硬链接与符号链接的对比

硬链接的限制：硬链接通常要求链接和文件位于同一文件系统中，且只有超级用户才能创建指向目录的硬链接。引入符号链接正是为了避开这些限制。

8.3 目录遍历的流程

目录遍历的核心函数调用链如下：

DIR *dp = opendir("."); struct dirent *entry; while ((entry = readdir(dp)) != NULL) { printf("%s\n", entry->d_name); } closedir(dp);

opendir函数返回指向DIR结构的指针，readdir循环读取每个目录项，返回dirent结构指针，d_name成员为文件名。

九、文件时间戳

9.1 三个时间值

每个文件维护三个时间字段：

9.2 修改时间戳的函数

#include <sys/time.h> int utimes(const char *pathname, const struct timeval times[2]); int futimens(int fd, const struct timespec times[2]); int utimensat(int fd, const char *path, const struct timespec times[2], int flag);

十、目录操作函数汇总

十一、完整代码示例

11.1 实现简单的ls命令

#include "apue.h" #include <dirent.h> int main(int argc, char *argv[]) { DIR *dp; struct dirent *dirp; if (argc != 2) err_quit("usage: ls directory_name"); if ((dp = opendir(argv[1])) == NULL) err_sys("can't open %s", argv[1]); while ((dirp = readdir(dp)) != NULL) printf("%s\n", dirp->d_name); closedir(dp); exit(0); }

11.2 递归遍历目录树（ftw风格的简化版）

#include "apue.h" #include <dirent.h> #include <limits.h> typedef int Myfunc(const char *, const struct stat *, int); static Myfunc myfunc; static int myftw(char *, Myfunc *); static int dopath(Myfunc *); static long nreg, ndir, nblk, nchr, nfifo, nslink, nsock, ntot; int main(int argc, char *argv[]) { int ret; if (argc != 2) err_quit("usage: ftw <starting-pathname>"); ret = myftw(argv[1], myfunc); ntot = nreg + ndir + nblk + nchr + nfifo + nslink + nsock; if (ntot == 0) ntot = 1; printf("regular files = %7ld, %5.2f %%\n", nreg, nreg * 100.0 / ntot); printf("directories = %7ld, %5.2f %%\n", ndir, ndir * 100.0 / ntot); printf("block special = %7ld, %5.2f %%\n", nblk, nblk * 100.0 / ntot); printf("char special = %7ld, %5.2f %%\n", nchr, nchr * 100.0 / ntot); printf("FIFOs = %7ld, %5.2f %%\n", nfifo, nfifo * 100.0 / ntot); printf("symbolic links = %7ld, %5.2f %%\n", nslink, nslink * 100.0 / ntot); printf("sockets = %7ld, %5.2f %%\n", nsock, nsock * 100.0 / ntot); exit(ret); } #define FTW_F 1 // 非目录文件 #define FTW_D 2 // 目录 #define FTW_DNR 3 // 不可读目录 #define FTW_NS 4 // 无法获取stat信息 static char *fullpath; static size_t pathlen; static int myftw(char *pathname, Myfunc *func) { fullpath = path_alloc(&pathlen); if (pathlen <= strlen(pathname)) { pathlen = strlen(pathname) * 2; if ((fullpath = realloc(fullpath, pathlen)) == NULL) err_sys("realloc failed"); } strcpy(fullpath, pathname); return dopath(func); } static int dopath(Myfunc *func) { struct stat statbuf; struct dirent *dirp; DIR *dp; int ret, n; if (lstat(fullpath, &statbuf) < 0) return func(fullpath, &statbuf, FTW_NS); if (S_ISDIR(statbuf.st_mode) == 0) return func(fullpath, &statbuf, FTW_F); // 是目录，先处理该目录本身 if ((ret = func(fullpath, &statbuf, FTW_D)) != 0) return ret; n = strlen(fullpath); if (n + NAME_MAX + 2 > pathlen) { pathlen *= 2; if ((fullpath = realloc(fullpath, pathlen)) == NULL) err_sys("realloc failed"); } fullpath[n++] = '/'; fullpath[n] = 0; if ((dp = opendir(fullpath)) == NULL) return func(fullpath, &statbuf, FTW_DNR); while ((dirp = readdir(dp)) != NULL) { if (strcmp(dirp->d_name, ".") == 0 || strcmp(dirp->d_name, "..") == 0) continue; strcpy(&fullpath[n], dirp->d_name); if ((ret = dopath(func)) != 0) break; } fullpath[n-1] = 0; if (closedir(dp) < 0) err_ret("can't close directory %s", fullpath); return ret; } static int myfunc(const char *pathname, const struct stat *statptr, int type) { switch (type) { case FTW_F: switch (statptr->st_mode & S_IFMT) { case S_IFREG: nreg++; break; case S_IFBLK: nblk++; break; case S_IFCHR: nchr++; break; case S_IFIFO: nfifo++; break; case S_IFLNK: nslink++; break; case S_IFSOCK: nsock++; break; case S_IFDIR: ndir++; break; } break; case FTW_D: ndir++; break; case FTW_DNR: err_ret("can't read directory %s", pathname); break; case FTW_NS: err_ret("stat error for %s", pathname); break; } return 0; }

十二、第4章知识点速查表

十三、学习心得

第4章是Unix文件系统的“百科全书”。本章的核心在于理解i节点、目录项和路径解析的关系。重点掌握：

• stat与lstat的区别：符号链接的处理方式

• 文件权限模型：9个基本位 + 粘着位的含义

• 硬链接与符号链接的本质区别：一个指向i节点，一个指向路径

• 目录遍历的方法：opendir/readdir是递归处理文件树的基石

• 三个文件时间戳的含义：访问、修改、状态更改的区别

本章内容多而杂，但每条知识点都有实际用途。建议配合man手册和大量编码练习，将各种系统调用的行为理解透彻。

十四、下一篇预告

下一篇将进入第5章“标准I/O库”，内容包括：

• 标准I/O库与系统调用的关系

• 流与FILE对象

• 缓冲类型（全缓冲、行缓冲、无缓冲）

• 打开、关闭、读写流（fopen、fclose、fread、fwrite）

• 格式化I/O（printf、scanf家族）

• 临时文件（tmpfile、tmpnam）

• 内存流（fmemopen、open_memstream）

敬请期待！

本文为个人学习笔记，仅用于知识分享。如有错误，欢迎指正。
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