《UNIX环境高级编程》笔记——4.文件和目录

一.引言

　　本章描述文件系统的其他特征和文件的性质。有些背景知识需要注意，例如用户ID与文件权限、文件系统等。

二.函数stat、fstat、fstatat和lstat

#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 );

返回值：成功，0
　　　　出错，-1

　　以上四个函数都是为了获取文件的stat结构体，稍有差别：

• stat和fstat：stat依据文件名，fstat依据fd
• stat和lstat：对于符号链接，stat返回该符号链接指向的文件，lstat返回符号链接本身；
• fstatat：相对当前打开的目录（fd）的目录经。pathname为相对路径且fd=AT_FDCWD，则会计算相对于当前目录的正真路径；如果pathname是绝对路径，fd参数被忽略。 flag控制是否跟随符号链接，默认跟随，AT_SYMLINK_NOFOLLOW时，不跟随。

　　stat是很重要的结构体，如下。ls -l 时会显示很多stat的内容。后面很多函数会用到这个结构体。

struct stat
  {
    __dev_t st_dev;            /* Device.  文件系统的设备号*/
    unsigned short int __pad1;
#ifndef __USE_FILE_OFFSET64
    __ino_t st_ino;            /* File serial number. i-node number    */
#else
    __ino_t __st_ino;            /* 32bit file serial number.    */
#endif
    __mode_t st_mode;            /* File mode.  */
    __nlink_t st_nlink;            /* Link count.  */
    __uid_t st_uid;            /* User ID of the file's owner.    */
    __gid_t st_gid;            /* Group ID of the file's group.*/
    __dev_t st_rdev;            /* Device number, if device. device设备的major和minor号 */
    unsigned short int __pad2;
#ifndef __USE_FILE_OFFSET64
    __off_t st_size;            /* Size of file, in bytes.  */
#else
    __off64_t st_size;            /* Size of file, in bytes.  */
#endif
    __blksize_t st_blksize;        /* Optimal block size for I/O. 操作IO时的最优block大小 */

#ifndef __USE_FILE_OFFSET64
    __blkcnt_t st_blocks;        /* Number 512-byte blocks allocated. */
#else
    __blkcnt64_t st_blocks;        /* Number 512-byte blocks allocated. */
#endif
#if defined __USE_MISC || defined __USE_XOPEN2K8
    /* Nanosecond resolution timestamps are stored in a format
       equivalent to 'struct timespec'.  This is the type used
       whenever possible but the Unix namespace rules do not allow the
       identifier 'timespec' to appear in the <sys/stat.h> header.
       Therefore we have to handle the use of this header in strictly
       standard-compliant sources special.  */
    struct timespec st_atim;        /* Time of last access.  */
    struct timespec st_mtim;        /* Time of last modification.  */
    struct timespec st_ctim;        /* Time of last status change.  */
# define st_atime st_atim.tv_sec    /* Backward compatibility.  */
# define st_mtime st_mtim.tv_sec
# define st_ctime st_ctim.tv_sec
#else
    __time_t st_atime;            /* Time of last access.  */
    unsigned long int st_atimensec;    /* Nscecs of last access.  */
    __time_t st_mtime;            /* Time of last modification.  */
    unsigned long int st_mtimensec;    /* Nsecs of last modification.  */
    __time_t st_ctime;            /* Time of last status change.  */
    unsigned long int st_ctimensec;    /* Nsecs of last status change.  */
#endif
#ifndef __USE_FILE_OFFSET64
    unsigned long int __unused4;
    unsigned long int __unused5;
#else
    __ino64_t st_ino;            /* File serial number.    */
#endif
  };

三.文件类型  stat.st_mode

1.文件类型

(1) regular file,普通文件

(2) directory file,目录文件。目录文件中包含其他文件的名字和与这些文件有关的指针，也就是后面文件系统里说的“文件名”和“i-node”。对目录有度权限的进程可以读取目录内容，只要内核才能写，只能用系统调用才能更改目录。

(3) block special file, 块特殊文件，例如磁盘，待缓冲

(4) char special file,字符特殊文件，不带缓冲。 系统中的设备，要么是块设备，要么是字符设备。

(5) FIFO，进程间通讯用

(6) socket，套接字，网络通信

(7) symbolic link,符号链接，指向另一个文件

2.相关宏定义

以下宏判断文件类型, 传入的参数是

#include <sys/stat.h>
#define    __S_ISTYPE(mode, mask)    (((mode) & __S_IFMT) == (mask))

#define    S_ISDIR(mode)     __S_ISTYPE((mode), __S_IFDIR)
#define    S_ISCHR(mode)     __S_ISTYPE((mode), __S_IFCHR)
#define    S_ISBLK(mode)     __S_ISTYPE((mode), __S_IFBLK)
#define    S_ISREG(mode)     __S_ISTYPE((mode), __S_IFREG)
#ifdef __S_IFIFO
# define S_ISFIFO(mode)     __S_ISTYPE((mode), __S_IFIFO)
#endif
#ifdef __S_IFLNK
# define S_ISLNK(mode)     __S_ISTYPE((mode), __S_IFLNK)
#endif

#if defined __USE_BSD && !defined __S_IFLNK
# define S_ISLNK(mode)
#endif

#if (defined __USE_BSD || defined __USE_UNIX98 || defined __USE_XOPEN2K) \
    && defined __S_IFSOCK
# define S_ISSOCK(mode) __S_ISTYPE((mode), __S_IFSOCK)
#elif defined __USE_XOPEN2K
# define S_ISSOCK(mode)
#endif

进程间通信（IPC）对象，如消息队列和信号灯，也可以说明为文件，如下宏可以判断这列文件的类型。注意，传入的参数是stat结构体指针

/* These are from POSIX.1b.  If the objects are not implemented using separate
   distinct file types, the macros always will evaluate to zero.  Unlike the
   other S_* macros the following three take a pointer to a `struct stat'
   object as the argument.  */
#ifdef    __USE_POSIX199309
# define S_TYPEISMQ(buf) __S_TYPEISMQ(buf)　　　　// 消息队列
# define S_TYPEISSEM(buf) __S_TYPEISSEM(buf)　　 // 信号量
# define S_TYPEISSHM(buf) __S_TYPEISSHM(buf)    // 共享存储对象
#endif

3.例程

判断文件类型，并打印

/* lseek test */
#include <stdio.h>    // printf
#include <stdlib.h>    // exit
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>    // errno
#include <string.h>    // strerror
#include <sys/stat.h>    // mode,stat函数

int main(int args, char *argv[])
{
    int i;
    struct stat fl_stat;

    if( args< ){
        printf("args error.\r\n");
        exit();
    }        

    for( i=;i<args;i++ ){
        printf("%s:",argv[i]);
        if( lstat(argv[i],&fl_stat) !=  ){
            printf("lstat error.\r\n");
            exit();        }    

        if( S_ISREG(fl_stat.st_mode) )
            printf("reguler file.\r\n");
        else if( S_ISDIR(fl_stat.st_mode) )
            printf("directory file.\r\n");
        else if( S_ISCHR(fl_stat.st_mode) )
            printf("char special file.\r\n");
        else if( S_ISBLK(fl_stat.st_mode) )
            printf("BLOCK special file.\r\n");
        else if( S_ISFIFO(fl_stat.st_mode) )
            printf("FIFO file.\r\n");
        else if( S_ISLNK(fl_stat.st_mode) )
            printf("symble link file.\r\n");
        else if( S_ISSOCK(fl_stat.st_mode) )
            printf("socket file.\r\n");
        else
            printf("unknow file.\r\n");
    }    

    exit();
}

$./example * /dev/cdrom /dev 
example:reguler file.
example.c:reguler file.
example.o:reguler file.
Makefile:reguler file.
result:reguler file.
/dev/cdrom:symble link file.
/dev:directory file.

四.SUID（设置用户ID）和SGID（设置组ID） stat.st_mode

1. 进程相关的ID

　　　　

• 实际用户ID/实际组ID，系统登录者，登录期间一般不变；
• 有效用户ID/组ID/附属组ID， 用于文件访问权限检查。一般情况下  实际用户ID=有效用户ID，也有特例，后面说明。
• 保存的设置用户ID/组ID，执行一个程序时，包含有效用户ID/组ID的副本。

2. 文件所有者和组所有者

　　文件有所有者和组所有者，用stat结构的st_uid/st_gid表示。

3. 执行程序文件时的ID

　　 程序文件——执行——>变成进程，进程就有有效用户ID。

　　情况1（通常情况）：有效用户ID/组ID = 实际用户ID/组ID；例如登录者是login_name, 则程序文件执行以后，该进程的有效用户ID就是login_name;

　　 情况2（设置SUID/SGID）:SUID/SGID包含在文件的stat的st_mode字段中，如果程序文件的属性里，设置了SUID/SGID，则该程序文件执行以后，该进程的有效用户ID/组ID=该程序文件的用户ID/组ID。可用S_ISUID/S_ISGID宏测试是否设置了这两个bit。

　　举例说明，以用户ID为例，组ID也类似, 为便于说明，uid使用用户名代替数字：

登录者ID = login_name
可执行文件exe_file的用户ID，uid  = file_owner_name
1.如果没有设置文件exe_file的SUID属性，则文件执行后，该进程的有效用户ID = 登录者ID（实际用户ID） = login_name，
  文件权限校验时用login_name校验。如果exe_file的other权限里没有x，则不能执行。
2.如果设置文件exe_file的SUID属性，则文件执行后，该进程的有效用户ID = 该文件的UID = file_owner_name，
　文件权限校验时用file_owner_name，如果exe_file的所有者权限里没有x，则不能执行

另一个典型的例子是 /etc/passed,该文件所有者是root，且设置了SUID，则其他用户执行时，有效进程ID=文件所有者ID=root，所以能够执行。

五.文件访问权限 stat.st_mode

1. 文件访问权限

【注意】chmod 777 file，其中777是八进制，在编写程序时，应使用八进制。

2. 权限与文件操作

(1)打开文件对目录的权限要求

open一个文件时，需要搜索目录，需要对目录具有执行权限。例如 /path/file,对/path必须有执行权限。

【扩展】目录读权限与执行权限不同， 读权限允许读目录，获取所有的文件列表；执行权限允许对目录进行搜索，寻找特定文件。

(2)读权限

决定是否可以打开文件进行读操作，open的O_RDONLY和O_RDWR

(3)写权限

决定是否可以打开文件进行写操作，open的O_WRONLY和O_RDWR

(4)O_TRUNC

需写权限

(5)创建新文件对目录的权限要求

创建文件时，需要写目录，在目录中增加文件名和对应的i-node，所以对目录要有写权限

(6)删除文件对目录的权限要求

只删除目录里的文件信息，对目录有写+执行权限即可。对文件权限没有要求。

(7)exec执行文件

需执行权限。

3. 文件访问权限测试

每次打开、创建、删除文件时，内核都进行文件权限测试，是否具有权限决定于文件ID/组ID和进程有效ID/组ID。

(1)root，有效用户ID=0，允许访问系统中所有文件

(2)有效用户ID=文件所有者ID，则允许操作，具体是否有RWX全下， 要看对应的权限位是否设置。

(3)有效组ID或附属组ID之一=文件组ID，允许

(4)若其他用户的适当权限位被设置，则允许访问，否则不允许。

以上4点按顺序检查，上一条不满足才检查下一条。

六.新文件和目录的所有权

open和creat新建函数时，没有指定各种ID，有默认的分配规则，linux的规则为：

（1）新文件用户ID = 进程有效用户ID

(2) 新文件组ID规则:

if( 目录的SGID )
    新文件的GID=所在目录的GID
else
    新文件的GID=进程的有效GID

七.函数access和faccessat

前面提到权限测试都是按照进程的有效用户ID和有效组ID进行的，这两个函数用实际用户ID进行权限测试。

#include <unistd.h>
int access( const char * pathname, int mode );
int faccessat(  int fd, const char * pathname, int mode, int flag);
返回值：
    成功，0
    失败，-1        

mode参数（可以按位或）：
F_OK:测试文件是否存在
W_OK:测试写权限
R_OK:测试读权限
X_OK:测试执行权限

faccessat的fd和pathname：
pathname绝对路径，fd忽略
fd为AT_FDCWD,pathname是相对路径
其他：计算相对于打开目录fd的pathname

faccessat的flag：
可改变faccessat的行为，如果AT_EACCESS,则检查进程的有效用户ID和有效组ID，而不是实际用户ID和实际组ID。

　

八.函数umask

九.函数chmod、fchmod和fchmodat

十.粘着位

十一.函数chown、fchown、fchownat和lchown

十二.文件长度

十三.文件截断

十四.文件系统

十五.函数link、linkat、unlink、unlinkat和remove

十六.函数rename和renameat

十七.符号链接

十八.创建和读取符号链接

十九.文件的时间

二十.函数futimens、utimensat、utimes

二十一.函数mkdir、mkdirat和rmdir

二十二.读目录

二十三.函数chdir、fchdir和getcwd

二十四.特殊设备文件

二十五.文件访问权限位小结

二十六.总结