Linux文件系统与设备文件

一、Linux文件操作

Linux的文件系统API主要涉及创建、打开、读写、定位、关闭文件

创建

int creat(const char *filename, mode_t mode);

mode: 代表新建文件的存取权限，需要和umask相与才能确定最终权限(mode&umask)。
umask代表文件在创建时需要去掉的存取权限

打开

int open(const char *pathname, int flags);
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

flags可以是一个值或几个值的组合，其中O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR只能使用一个
如果使用了O_CREATE, 则需要加mode参数表示文件的访问权限

读写

int read(int fd, const void *buf, size_t length);
int write(int fd, const void *buf, size_t length);

buf指向缓冲区的指针，length代表缓冲区大小(byte)
read()是从fd中读取length字节到buf中，返回实际读取的字节数
write()是把length个字节从buf写到fd中，返回实际写入的字节数

定位

int lseek(int fd, offset_t offset, int whence);

讲文件的读写指针相对whence移动offset字节，成功返回读写指针相对于文件头的位置
whence代表相对位置，可以使用以下的值：
offset可以取负值，代表相对于当前位置向前移

关闭

int close(int fd);

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#define LENGTH 100
main()
{
	int fd, len;
	char str[LENGTH];
	/* 创建并打开文件 */
	fd = open("hello.txt", O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR); /*	
	if (fd) {
		/* 写入字符串 */
		write(fd, "Hello World", strlen("Hello World")); /*
		/* 关闭文件 */
		close(fd);
	}

	fd = open("hello.txt", O_RDWR);
	 /*  读取文件内容 */
	len = read(fd, str, LENGTH);
	str[len] = '\0';
	printf("%s\n", str);
	close(fd);
}

二、LInux文件系统

1. 目录结构

/bin: 包含基本命令，如ls、cp、mkdir等，这个目录中的文件都是可以执行的
/sbin: 大多涉及到系统管理的命令，如modprobe、hwclock、ifconfig等，也都是可以执行的
/dev: 设备文件存储目录，应用程序通过对这些文件的读写和控制来访问实际的设备
/etc: 存放系统和一些服务器配置文件，如用户账号和密码配置文件。
/lib: 存放系统库目录
/mnt: 用于存放挂载存储设备
/opt: option可选，有些软件包安装在此处
/proc: 存放操作系统运行时的进程及内核信息的伪目录，实际的信息在内存之中
/tmp: 用来存放临时文件
/usr: 存放程序目录，如用户命令、用户库等
var：存放经常变动的内容，如存放系统日志
/sys: sysfs文件系统映射在此目录，Linux设备驱动模型中的总线、驱动和设备都可以在此种找到对应的节点

2. 文件系统与设备驱动

在这里插入图片描述
1. 应用程序VFS(虚拟文件系统)之间的接口就是系统调用，即Linux文件系统(或C库)的API，包括read()、write()等函数
2. VFS与文件系统以及设备文件之间的接口是file_operations结构体成员函数，这个结构体实现了相关设备的xxx_open()、xxx_write()、xxx_read()等函数
3. 块设备有两种访问方式
- 第一种是不通过文件系统访问直接访问裸设备，内核同一实现了def_blk_fops这一file_operations
- 第二种则是通过文件系统访问块设备，file_operations的实现位于文件系统内部，文件系统给会将针对文件的读写转为针对块设备原始扇区的读写。如ext2、fat等文件系统会实现针对VFS的file_operations结构体成员函数。

file结构体
当应用程序通过VFS调用open函数打开一个文件时，系统会为该文件在内核中关联一个file结构体。这个结构体在文件打开时由内核创建，并且对这个文件进行任何操作的函数(如read、write、seek等)都会得到这个结构体，在这个文件的所有实例关闭后该结构体会被内核释放。

struct file {
	union {
		struct llist_node fu_llist;
		struct rcu_head fu_rcuhead;
	} f_u;
	struct path f_path;
	#define f_dentry f_path.dentry
	struct inode *f_inode; /* cached value */
	const struct file_operations*f_op; /*  和文件关联的操作 */

	/*
	* Protects f_ep_links, f_flags.
	* Must not be taken from IRQ context.
	*/
	spinlock_t f_lock;
	atomic_long_t f_count;
	unsigned int f_flags; /* 文件标志，如 O_RDONLY 、 O_NONBLOCK 、 O_SYNC*/
	fmode_t f_mode; /* 文件读 / 写模式， FMODE_READ 和 FMODE_WRITE*/
	struct mutex f_pos_lock;
	loff_t f_pos; /*  当前读写位置 */
	struct fown_struct f_owner;
	const struct cred *f_cred;
	struct file_ra_statef_ra;

	u64 f_version;
	#ifdef CONfiG_SECURITY
	void *f_security;
	#endif
	/* needed for tty driver, and maybe others */
	void *private_data; /* 文件私有数据 */

	#ifdef CONfiG_EPOLL
	/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
	struct list_head f_ep_links;
	struct list_head f_tfile_llink;
	#endif /* #ifdef CONfiG_EPOLL */
	struct address_space*f_mapping;
 }__attribute__((aligned(4))); /* lest something weird decides that 2 is OK */

inode结构体
inode结构体包含文件自身的属性信息，包括访问权限、所属组、大小、生成时间等等

struct inode {
	...
	umode_t i_mode; /* inode 的权限 */
	uid_t i_uid; /* inode 拥有者的 id */
	gid_t i_gid; /* inode 所属的群组 id */
	dev_t i_rdev; /*  若是设备文件，此字段将记录设备的设备号 */
	loff_t i_size; /* inode 所代表的文件大小 */
	
	struct timespec i_atime; /* inode 最近一次的存取时间 */
	struct timespec i_mtime; /* inode 最近一次的修改时间 */
	struct timespec i_ctime; /* inode 的产生时间 */
	
	unsigned int i_blkbits;
	blkcnt_t i_blocks; /* inode 所使用的 block 数，一个 block 为 512  字节 */
	union {
	struct pipe_inode_info *i_pipe;
	struct block_device *i_bdev;
	/*  若是块设备，为其对应的 block_device 结构体指针 */
	struct cdev *i_cdev; /*  若是字符设备，为其对应的 cdev 结构体指针 */
	}
	...
};