Нейл Мэтью - Основы программирования в Linux

Теперь, если вам понадобится небольшая утилита, подумайте, сможете ли вы решить вашу проблему, комбинируя множество команд ОС Linux в сценарии командной оболочки. Вы будете поражены, увидев, как много вспомогательных программ можно написать без использования компилятора. 

Глава 3

Работа с файлами

В этой главе будут рассматриваться файлы и каталоги ОС Linux и способы работы с ними. Вы научитесь создавать файлы, открывать и читать их, писать в них и удалять их. Вы также узнаете, как программы могут обрабатывать каталоги (например, создавать, просматривать и удалять их). После сделанного в предыдущей главе отступления, посвященного командным оболочкам, теперь вы начнете программировать на языке С.

Прежде чем перейти к способам обработки файлового ввода/вывода в системе Linux, мы дадим краткий обзор понятий, связанных с файлами, каталогами и устройствами. Для управления файлами и каталогами вам придется выполнять системные вызовы (аналог Windows API в системах UNIX и Linux), но, кроме того, для обеспечения более эффективного управления файлами существует большой набор библиотечных функций стандартной библиотеки ввода/вывода (stdio).

Большую часть главы мы посвятим работе с различными вызовами, необходимыми для обработки файлов и каталогов. Таким образом, в данной главе будут обсуждаться разные темы, связанные с файлами:

□ файлы и устройства;

□ системные вызовы;

□ библиотечные функции;

□ низкоуровневый доступ к файлу;

□ управление файлами;

□ стандартная библиотека ввода/вывода;

□ форматированный ввод и вывод;

□ сопровождение файлов и каталогов;

□ просмотр каталогов;

□ ошибки;

□ файловая система /proc;

□ более сложные приемы — fcntl и mmap.

Структура файла в Linux

Вы можете спросить: "Зачем вы останавливаетесь на структуре файла? Я уже знаком с ней." Дело в том, что в среде Linux, как и UNIX, файлы особенно важны, поскольку они обеспечивают простую и согласованную взаимосвязь со службами операционной системы и устройствами. В ОС Linux файл — это все что угодно. Ну, или почти все!

Это означает, что в основном программы могут обрабатывать дисковые файлы, последовательные порты, принтеры и другие устройства точно так же, как они используют файлы. Мы расскажем о некоторых исключениях, таких как сетевые подключения, в главе 15, но в основном вы должны будете применять пять базовых функций: open, close, read, write и ioctl.

Каталоги — тоже специальный тип файлов. В современных версиях UNIX, включая Linux, даже суперпользователь не пишет непосредственно в них. Обычно все пользователи для чтения каталогов применяют интерфейс opendir/readdir, и им нет нужды знать подробности реализации каталогов в системе. Позже в этой главе мы вернемся к специальным функциям работы с каталогами.

Действительно, в ОС Linux почти все представлено в виде файлов или может быть доступно с помощью специальных файлов. И основная идея сохраняется даже, несмотря на то, что существуют в силу необходимости небольшие отличия от известных и любимых вами традиционных файлов. Давайте рассмотрим особые случаи, о которых мы уже упоминали.

Каталоги

Помимо содержимого у файла есть имя и набор свойств, или "административная информация", т.е. дата создания/модификации файла и права доступа к нему. Свойства хранятся в файловом индексе (inode), специальном блоке данных файловой системы, который также содержит сведения о длине файла и месте хранения файла на диске. Система использует номер файлового индекса; для нашего удобства структуру каталога также называют файлом.

Каталог — это файл, содержащий номера индексов и имена других файлов. Каждый элемент каталога — ссылка на файловый индекс; удаляя имя файла, вы удаляете ссылку. (Номер индекса файла можно увидеть с помощью команды ln -i.) Применяя команду ln, вы можете создать ссылки на один и тот же файл в разных каталогах.

Когда вы удаляете файл, удаляется элемент каталога для этого файла, и количество ссылок на файл уменьшается на единицу. Данные файла могут быть все еще доступны благодаря другим ссылкам на этот же файл. Когда число ссылок на файл (число, идущее после прав доступа в команде ls -l) становится равно нулю, индекс файла и блоки данных, на которые он ссылается, больше не используются и помечаются как свободные.

Файлы помещаются в каталоги, которые могут содержать подкаталоги. Так формируется хорошо знакомая иерархия файловой системы. Пользователь, скажем neil, обычно хранит файлы в исходном (home) каталоге, возможно /home/neil, с подкаталогами для хранения электронной почты, деловых писем, служебных программ и т.д. Имейте в виду, что у многих командных оболочек систем UNIX и Linux есть отличное обозначение для указания начала пути в вашем исходном каталоге: символ "тильда" (~). Для другого пользователя наберите ~user. Как вы знаете, исходные каталоги пользователей — это, как правило, подкаталоги каталога более высокого уровня, создаваемого специально для этой цели, в нашем случае это каталог /home.

К сожалению, функции стандартной библиотеки при указании имени файла как параметра не понимают сокращенного обозначения с помощью тильды, поэтому в ваших программах следует всегда явно задавать полное имя файла.

Каталог /home в свою очередь является подкаталогом корневого каталога /, расположенного на верхнем уровне иерархии и содержащего все системные файлы и подкаталоги. В корневой каталог обычно включен каталог /bin для хранения системных программ (бинарных файлов), каталог /etc, предназначенный для хранения системных файлов конфигурации, и каталог /lib для хранения системных библиотек. Файлы, представляющие физические устройства и предоставляющие интерфейс для этих устройств, принято помещать в каталог /dev. На рис. 3.1 показана в качестве примера часть типичной файловой системы Linux. Мы рассмотрим структуру файловой системы Linux более подробно в главе 18, когда будем обсуждать стандарт файловой системы Linux (Linux File System Standard).

Рис. 3.1 

Файлы и устройства

Даже физические устройства очень часто представляют (отображают) с помощью файлов. Например, будучи суперпользователем, вы можете смонтировать дисковод IDE CD-ROM как файл:

# mount -t iso9660 /dev/hdc /mnt/cdrom

# cd /mnt/cdrom

который выбирает устройство CD-ROM (в данном случае вторичное ведущее (secondary master) устройство IDE, которое загружается как /dev/hdc во время начального запуска системы; у устройств других типов будут другие элементы каталога /dev) и монтирует его текущее содержимое как файловую структуру в каталоге /mnt/cdrom. Затем вы перемещаетесь по каталогам компакт-диска как обычно, конечно за исключением того, что их содержимое доступно только для чтения.

В системах UNIX и Linux есть три важных файла устройств: /dev/console, /dev/tty и /dev/null.

Это устройство представляет системную консоль. На него часто отправляются сообщения об ошибках и диагностическая информация. У всех систем UNIX есть выделенный терминал или экран для получения сообщений консоли. Иногда он может быть выделенным печатающим терминалом. На современных рабочих станциях и в ОС Linux обычно это активная виртуальная консоль, а под управлением графической среды X Window это устройство станет специальным окном консоли на экране.

Специальный файл /dev/tty — это псевдоним (логическое устройство) управляющего терминала (клавиатуры и экрана или окна) процесса, если таковой есть. (Например, у процессов и сценариев, автоматически запускаемых системой, не будет управляющего терминала, следовательно, они не смогут открыть файл /dev/tty.)

Там где этот файл, /dev/tty может применяться, он позволяет программе писать непосредственно пользователю независимо от того, какой псевдотерминал или аппаратный терминал он использует. Это полезно при перенаправлении стандартного вывода. Примером может служить отображение содержимого длинного каталога в виде группы страниц с помощью команды ls -R | more, в которой у программы more есть пользовательская подсказка для каждой новой страницы вывода. Вы узнаете больше о файле /dev/tty в главе 5.

Учтите, что существует только одно устройство /dev/console, и в то же время может существовать много разных физических устройств, к которым можно обратиться с помощью файла dev/tty.

Файл /dev/null — это фиктивное устройство. Весь вывод, записанный на это устройство, отбрасывается. Когда устройство читается, немедленно возвращается конец файла, поэтому данное устройство можно применять с помощью команды cp как источник пустых файлов. Нежелательный вывод очень часто перенаправляется на dev/null.