Linux 下几个文件操作命令的代码实现

本文章中的示例代码是在 CentOS 5.4 64 位环境下运行通过的，在其它 unix 系统上没有测试过。

Linux 操作系统中的命令实际上是编译好的可执行程序，比如说 ls 这个命令，这个文件位于 /bin 目录下面，当我们用 file /bin/ls 命令查看的时候会有以下输出：

 [root@localhost ~]# file /bin/ls 
 /bin/ls: ELF 64-bit LSB executable, 
 AMD x86-64, version 1 (SYSV), for GNU/Linux 2.6.9, 
 dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.9, stripped 

这个命令通过调用 stat 系统调用和 /usr/share/file/magic.mgc 文件来决定文件的类型。如上的 /bin/ls 是一个 ELF 格式的动态链接的 64 位的可执行文件。

系统调用是用户程序和操作系统内核之间的接口，我们可以使用操作系统提供的系统调用来请求分配资源和服务。我们可以通过 man 2 章节来查找 Linux 提供的系统调用的具体使用方法。有关文件操作的常见系统调用命令有：open、creat、close、read、write、lseek、opendir、readdir、mkdir、stat 等等。

大家也都知道 cp 这个命令主要的作用就是把一个文件从一个位置复制到另一个位置。比如现在 /root 目录下有一个 test.txt 文件，如果我们用 cp test.txt test2.txt 命令的话，在同一个目录下面就会生成一个同样内容的 test2.txt 文件了。

那么 cp 命令是怎么实现的呢，我们看如下代码：

				
 #include     
 #include     
 #include     
 #include     

 #define BUFFERSIZE    4096 
 #define COPYMODE     0644 

 void oops(char *, char *); 

 main(int argc, char * argv[]) 
 { 
    int   in_fd, out_fd, n_chars; 
    char  buf[BUFFERSIZE]; 

    if ( argc != 3 ){ 
        fprintf( stderr, "usage: %s source destination\n", *argv); 
        exit(1); 
    } 

    if ( (in_fd=open(argv[1], O_RDONLY)) == -1 ){ 
        oops("Cannot open ", argv[1]); 
    } 
    if ( (out_fd=creat( argv[2], COPYMODE)) == -1 ){ 
        oops( "Cannot creat", argv[2]); 
    } 

    while ( (n_chars = read(in_fd , buf, BUFFERSIZE)) > 0 ){ 
        if ( write( out_fd, buf, n_chars ) != n_chars ){ 
           oops("Write error to ", argv[2]); 
        } 
    } 
    if ( n_chars == -1 ){ 
        oops("Read error from ", argv[1]); 
    } 

    if ( close(in_fd) == -1 || close(out_fd) == -1 ) 
        oops("Error closing files",""); 
 } 

 void oops(char *s1, char *s2) 
 { 
    fprintf(stderr,"Error: %s ", s1); 
    perror(s2); 
    exit(1); 
 } 

该程序的主要实现思想是：打开一个输入文件，创建一个输出文件，建立一个 BUFFERSIZE 大小的缓冲区；然后在判断输入文件未完的循环中，每次读入多少就向输出文件中写入多少，直到输入文件结束。

让我来详细的讲述一下这个程序：

• 开头四行包含了 4 个头文件， 文件包含了 fprintf、perror 的函数原型定义； 文件包含了 read、write 的函数原型定义； 文件包含了 open、creat 的函数原型定义、 文件包含了 exit 的函数原型定义。这些函数原型有些是系统调用、有些是库函数，通常都可以在 /usr/include 目录中找到这些头文件。

• 接下来的 2 行以宏定义的方式定义了 2 个常量。BUFFERSIZE 用来表示缓冲区的大小、COPYMODE 用来定义创建文件的权限。

• 接下来的一行定义了一个函数原型 oops，该函数的具体定义在最后出现，用来输出出错信息到 stderr，也就是标准错误输出的文件流。

• 接下来主程序开始。首先定义了 2 个文件描述符、一个存放读出字节数的变量 n_chars、和一个 BUFFERSIZE 大小的字符数组用来作为拷贝文件的缓冲区。

• 接下来判断输入参数的个数是否为 3，也就是程序名 argv[0]、拷贝源文件 argv[1]、目标文件 argv[2]。不为 3 的话就输出错误信息到 stderr，然后退出程序。

• 接下来的 2 行，用 open 系统调用以 O_RDONLY 只读模式打开拷贝源文件，如果打开失败就输出错误信息并退出。如果想了解文件打开模式的详细内容请使用命令 man 2 open，来查看帮助文档。

• 接下来的 2 行，用 creat 系统调用以 COPYMODE 的权限建立一个文件，如果建立失败函数的返回值为 -1 的话，就输出错误信息并退出。

• 接下来的循环是拷贝的主要过程。它从输入文件描述符 in_fd 中，读入 BUFFERSIZE 字节的数据，存放到 buf 字符数组中。在正常读入的情况下，read 函数返回实际读入的字节数，也就是说只要没有异常情况和文件没有读到结尾，那么 n_chars 中存放的就是实际读出的字节的数字。然后 write 函数将从 buf 缓冲区中，读出 n_chars 个字符，写入 in_out 输出文件描述符。由于 write 系统调用返回的是实际写入成功的字节数。所以当读出 N 个字符，又成功写入 N 个字符到输出文件描述符中去的时候，就表示写成功了，否则就报告写入错误。

• 最后就是用 close 系统调用关闭打开的输入和输出文件描述符。

rm 命令主要是用来删除一个文件。

该命令的实现代码如下：

				
 #include  
 #include  
 #include  

 int main(int argc , char * argv[]) { 

  int rt; 
  if(argc != 2){ 
    exit(2);   
  }else{ 

    if((rt = unlink(argv[1])) !=  0){ 
        fprintf(stderr,"error."); 
        exit(3); 
    } 

  } 
   
  return 0; 

 } 

其中程序的关键是 unlink 系统调用，unlink 函数原型包含在 头文件里面。

我们从这个程序的创建过程来分析这个程序。

这个命令的模拟程序是怎么写出来的呢？

首先，我们可以在机器上 touch test 建立一个 test 文件，然后调用 strace rm test 命令来查看 rm 命令具体使用了那些系统调用。

通过查看，我们看到主要使用的系统调用如下：

 [root@localhost aa]# strace rm test 
 execve("/bin/rm", ["rm", "test"], [/* 24 vars */]) = 0 
 brk(0)                  = 0xcc66000 
 mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, 
       MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x2aff83ffb000 
 uname({sys="Linux", node="localhost.localdomain", ...}) = 0 
 ... 
 ... 
 lstat("test", {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=0, ...}) = 0 
 stat("test", {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=0, ...}) = 0 
 geteuid()                = 0 
 getegid()                = 0 
 getuid()                 = 0 
 getgid()                 = 0 
 access("test", W_OK)         = 0 
 unlink("test")             = 0 
 close(1)                = 0 
 exit_group(0)              = ? 

我们可以看到起主要作用的就是 unlink(“test”) 这个系统调用。

让我们来分析一下这些输出的含义：

• 首先第一行 execve 系统调用。该系统调用执行参数“/bin/rm”中的程序（以 #! 开头的可执行脚本也可以），后面第一个方括号中表示执行的参数，第二个方括号中表示执行的环境变量。
• 接下来的 brk 和 mmap 命令，主要是用来给可执行命令分配内存空间。
• 后面的 lstat 系统调用用来确定文件的 mode 信息，包括文件的类型和权限，文件大小等等。
• 然后 access 系统调用检查当前用户进程对于 test 文件的写入访问权限。这里返回值为 0 也就是说进程对于 test 文件有写入的权限。
• 最后调用 unlink 系统调用删除文件。

这里如果我们建立一个目录 test1，然后用 rm test1 去删除这个目录会有什么结果呢？

我们看到有如下输出：

 rm: cannot remove `test1': Is a directory 

这时我们用 strace 命令来追踪一下，发现输出主要是如下不同。

 unlink("test")              = -1 EISDIR (Is a directory) 

这里说明了删除不掉的原因是 unlink 系统调用报错，unlink 它认为 test 是一个目录，不予处理。

那么怎么删除一个目录呢？应该是用 rmdir 系统调用，这样就不会出现上述的问题了。

再让我们来看看 mkdir 的实现。

完整的代码如下：

				
 #include  
 #include  
 #include  


 int main(int argc, char *argv[]){ 

   int rt; 
   if( (rt = mkdir (argv[1],10705)) == -1 ){ 
      fprintf(stderr,"cannot mkdir"); 
   } 

   return 0; 

 } 

这段代码也比较简单，我这里就不逐行解释了，主要说以下几点：

首先 mkdir 函数是定义于 和 头文件之中的。

而 fprintf 函数是位于 文件之中的。

mkdir 的函数原型如下：

 int mkdir(const char *pathname, mode_t mode); 

mode 声明为 mode_t 类型。

那么 mode_t 数据类型是什么数据类型，应该从哪个文件去查看它的定义呢？

让我们逐步查找一下。

首先从文件 /usr/include/sys/stat.h 中找到 mode_t 类型

/usr/include/sys/stat.h -> typedef __mode_t mode_t;

说明 mode_t 只是对 __mode_t 的一种定义。

然后从 /usr/include/bits/types.h 中找到 __mode_t 类型

/usr/include/bits/types.h -> __STD_TYPE __MODE_T_TYPE __mode_t;

说明 __mode_t 也只是对 __MODE_T_TYPE 的一种定义。

/usr/include/bits/typesizes.h -> #define __MODE_T_TYPE __U32_TYPE

说明 __MODE_T_TYPE 是对 __U32_TYPE 的一种定义。

/usr/include/bits/types.h -> #define __U32_TYPE unsigned int

最后 __U32_TYPE 是一种无符号的整数的定义。

从上述推导可以看出，mode_t 实际上也就是一种无符号整数。

另外如下结构 struct stat 定义中的 st_mode 成员变量也是使用的 mode_t 类型的变量。

从 man 2 stat 中可以找到结构 struct stat 的定义，如下：

  struct stat { 
    dev_t   st_dev;   /* ID of device containing file */ 
    ino_t   st_ino;   /* inode number */ 
    mode_t  st_mode;  /* protection */ 
    nlink_t   st_nlink;   /* number of hard links */ 
    uid_t   st_uid;   /* user ID of owner */ 
    gid_t   st_gid;   /* group ID of owner */ 
    dev_t   st_rdev;  /* device ID (if special file) */ 
    off_t   st_size;  /* total size, in bytes */ 
    blksize_t st_blksize; /* blocksize for filesystem I/O */ 
    blkcnt_t  st_blocks;  /* number of blocks allocated */ 
    time_t  st_atime;   /* time of last access */ 
    time_t  st_mtime;   /* time of last modification */ 
    time_t  st_ctime;   /* time of last status change */ 
      }; 

该结构也是我们在后面的 tac 命令实现中需要用到的结构体。我们需要用到结构体中的 st_size 成员，该成员反映了被读取的文件描述符对应的文件的大小。

tac 命令主要用来以倒序的方式显示一个文本文件的内容，也就是先显示最后一行的内容，最后显示第一行的内容。代码如下：

				
 #include  
 #include  
 #include  
 #include  
 #include  
 #include  
 #include  
 #include  

 #define SIZE  1000001 
 #define NLINE '\n'


 int main(int argc , char *argv[]){ 

  char buf[SIZE]; 
  char *p1,*p2,*p3,*p4; 
  struct stat  *fp; 
  int fd; 
  fp=(struct stat *)malloc(sizeof(struct stat)); 

  if(argc != 2){ 
       fprintf(stderr,"input error %s \n"); 
       exit(1); 
  } 

  if( (fd=open(argv[1],O_RDONLY)) == -1 ){ 
       fprintf(stderr,"open error %s \n",strerror(errno)); 
       exit(1); 
  } 
  
  if(fstat(fd,fp)== -1){ 
       fprintf(stderr,"fstat error %s \n",strerror(errno)); 
       exit(2); 
  } 
  
  if(fp->st_size > (SIZE-1)){ 
       fprintf(stderr,"buffer size is not big enough \n"); 
       exit(3); 
  } 

  if(read(fd,buf,fp->st_size) == -1){ 
       fprintf(stderr,"read error.\n"); 
       exit(4); 
  } 

  p1=strchr(buf,NLINE); 
  p2=strrchr(buf,NLINE); 
  *p2='\0'; 

  do{ 
  p2=strrchr(buf,NLINE); 
  p4=p2; 
  p3=p2+sizeof(char); 
  printf("%s\n",p3); 
  *p4='\0'; 
  }while(p2 != p1); 
  
  if(p2 == p1){ 
    *p2 = '\0'; 
    printf("%s\n",buf); 
  } 

  return 0; 
 } 

让我们来运行一下该程序：

程序的运行情况如下，假设编译后的可执行文件名为 emulatetac，有一个文本文件 test.txt。

 # gcc emulatetac.c  -o  emulatetac 
 # cat test.txt 
 1 
 2 
 3 
 a 
 b 
 # ./emulatetac test.txt 
 b 
 a 
 3 
 2 
 1 

可以看出文件内容以倒序方式显示输出了。

下面逐行讲解：

• #include 的头文件，都应该通过 man 2 系统调用命令来查找，这里就不多说了。
• 下面定义了一个宏常量 SIZE，该常量主要用来表示能够读入最大多少个字节的文件，当文件过大的时候程序就不执行，直接退出。然后定义了宏常量 NLINE 表示换行符'\n'。
• 接下来主程序体开始了：首先定义一个字符数组 buf，用来把读入文件的每个字节都存在该数组里面。
• 然后定义了 4 个字符串指针，一个指向结构体 struct stat 的指针 fp，一个文件描述符。
• 然后为指向结构体的指针 fp 分配存储空间。
• 接下来判断输入参数是否为 2 个，也就是命令本身和文件名。不是 2 个就直接退出。
• 然后以只读方式打开输入文件名的文件，也就是 test.txt。打开成功的话，把打开的文件赋值到文件描述符 fd 中，错误的话退出。
• 然后用 fstat 系统调用把文件描述符 fd 中对应文件的元信息，存放到结构体指针 fp 指向的结构中。
• 下面判断当文件的大小超过缓冲区数组 buf 的大小 SIZE-1 时，就退出。
• 下面将把文件 test.txt 中的每个字符存放到数组 buf 中。
• 下面是程序的核心部分：首先我们找到字符串 buf 中的第一个换行字符存放到 p1 指针里面，然后把最后一个换行字符置为字符串结束符。
• 接下来我们从后往前查找字符串 buf 中的换行符，直到遇到第一个换行符 p1。同时打印每个找到的换行符'\n'中的下一个字符开始的字符串，也就刚好是一行文本。
• 最后当从后向前找到第一个换行字符时，打印第一行，程序结束。

通过 strace 命令查看 df 主要使用了如下的系统调用：open、fstat、read、statfs

我这里实际上是模拟实现的 df --block-size=4096 这个命令，也就是说以 4096 字节为块大小来显示磁盘使用情况。

这里最为关键的是 statfs 这个结构体，该结构体的某些字段被用作 df 命令的输出字段：

        struct statfs { 
         long  f_type;   /* type of filesystem (see below) */ 
         long  f_bsize;  /* optimal transfer block size */ 
         long  f_blocks;   /* total data blocks in file system */ 
         long  f_bfree;  /* free blocks in fs */ 
         long  f_bavail;   /* free blocks avail to non-superuser */ 
         long  f_files;  /* total file nodes in file system */ 
         long  f_ffree;  /* free file nodes in fs */ 
         fsid_t  f_fsid;   /* file system id */ 
         long  f_namelen;  /* maximum length of filenames */ 
        }; 

比如：df --block-size=4096 的输出如下（纵向列出）：

 Filesystem  
 /dev/sda1   
 4K-blocks 
 5077005 　　 f_blocks 字段
 Used 
 145105 　　 f_blocks 字段 -f_bfree 字段
 Available 
 4669841 　　 f_bavail 字段
 Use% 
 4% 　　（f_blocks-f_bfree）/ f_blocks*100% 来计算磁盘使用率。
 Mounted on 
 / 

模拟实现的代码如下：

				
 #include  
 #include  
 #include  
 #include  
 #include  
 #include  
 #define SIZE1 100 
 #define FN "/etc/mtab"
 #define SPACE ' '

 int displayapartition(char * pt,char * pt1); 

 int main(void){ 

  char tmpline[SIZE1]; 
  FILE * fp; 
  char * pt1; 
  char * pt2; 
  char * pt3; 


  if( (fp = fopen(FN,"r")) == NULL ){ 
     fprintf(stderr,"%s \n",strerror(errno)); 
     exit(5); 
  } 
 
  while( fgets(tmpline, SIZE1, fp) != NULL ){ 
      pt1=strchr(tmpline, SPACE); 
      pt2=pt1+sizeof(char); 
      *pt1='\0'; 
      pt3=strchr(pt2,SPACE); 
      *pt3='\0'; 
      if(strstr(tmpline,"/dev") != NULL ){ 
         displayapartition(tmpline,pt2); 
      } 
  } 
  return 0; 
 } 

 int displayapartition(char * pt,char * pt1){ 
  
  struct statfs buf; 
  statfs(pt1,&buf); 
  int usage; 
  usage=ceil((buf.f_blocks-buf.f_bfree)*100/buf.f_blocks); 

  printf("%s ",pt); 
  printf("%ld ",buf.f_blocks); 
  printf("%ld ",buf.f_blocks-buf.f_bfree); 
  printf("%ld ",buf.f_bavail); 
  printf("%d%% ",usage); 
  printf("%s ",pt1); 
  printf("\n"); 
 
  return 0; 
 } 

下面解释一下这个程序：

• 首先，该程序定义了一个函数 displayapartition， 这里先定义它的函数原型。
• 然后我们从主程序说起：首先定义了一个 char tmpline[SIZE1] 数组，该数组用来存放从宏定义常量 FN 代表的文件中，打开后存入文件的每行记录。
• 接着定义了一个文件流指针和 3 个字符串指针。
• 接下来打开文件 FN 并把结果赋值给文件流变量 fp, 如果打开失败就退出。
• 下面从打开的文件流中读出 SIZE1 个字符到临时数组 tmpline。比如读出一行数据为：/dev/sda1 / ext3 rw 0 0 　将把 /dev/sda1 放入数组 tmpline，把加载点 / 放入指针 pt2，同时判断字符串 tmpline 是否包含 /dev 字符串，这样来判断是否是一个磁盘文件，如果是的话就调用子函数 displayapartition，不是则返回。
• 子函数 displayapartition 是做什么的呢？该函数接受 2 个参数，一个是行 /dev/sda1 / ext3 rw 0 0 中的第一列比如：/dev/sda1 也就是实际磁盘作为 pt 指针，一个是行中的第二列比如：/ 也就是挂载点作为 pt1 指针。然后子函数通过 pt1 指针，读取挂载上的文件系统信息到 buf 数据结构里面。
• 根据开头介绍过的 statfs 结构体，buf.f_blocks 表示打开的文件系统的总数据块，buf.f_blocks-buf.f_bfree 表示已经使用的数据块，buf.f_bavail 表示非超级用户可用的剩余数据块，磁盘使用率就是前面列出过的计算表达式：（f_blocks- f_bfree）/ f_blocks*100%。通过子函数就可以打印出 df 需要显示的所有信息到标准输出了。

本文依次讲述了 cp、rm、mkdir、tac、df 命令的主要功能实现代码，当然每个命令还有很多参数，我这个模拟实现代码甚至连主要功能的很多细节都没有实现，比如 df 命令的输出头我没有打印出来，这牵涉到打印头和输出格式化等很多细节。所以，从这里我们就可以推断出，真实的源代码肯定是考虑得非常全面、严谨和健壮的。我这里只是抛砖引玉，希望能给爱好 Linux 的朋友们提供一种理解 Linux 系统的思路。