在本章中，我们将介绍Linux中的文件、目录以及相关操作。我们将学习创建、打开、读写和关闭文件。我们还将介绍如何处理目录（例如创建、扫描和删除目录）。在上一章讨论shell之后，现在，我们开始用C语言进行编程。

开始讨论Linux中对文件I/O的处理方法之前，我们先回顾一下与文件、目录和设备相关的概念。为了对文件和目录进行处理，我们需要用到系统调用（UNIX和Linux 中与Windows API 对应的概念），以及一套完整的库函数——标准I/O库（stdio）能够更有效的进行文件处理。

在本章的大部分内容中，我们将详细讨论处理文件和目录的各种调用。因此,本章的内容将涵盖：

l 文件和设备。

l 系统调用。

l 库函数。

l 文件访问的底层操作。

l 对文件进行管理。

l 标准I/O库。

l 格式化的输入和输出。

l 文件和目录的维护。

l 扫描目录。

l 错误及其处理。

l /proc文件系统。

l 高级论题:fcntl和mmap。

3.1  Linux文件结构

你可能会问；“为什么要在这里讨论文件结构呢？我早知道它了。”这么说吧，与UNIX一样，Linux环境中的文件具有特别重要的意义，因为它们为操作系统服务和设备提供了一个简单而统一的接口。在Linux中，一切（或几乎一切）都是文件。

这就意味着，通常程序完全可以像使用文件那样使用磁盘文件、串行口、打印机和其他设备。在本书后面的内容中，我们将介绍一些例外情况，比如第15章中的网络连接，但大多数情况下，你只需要使用五个基本的函数——open、close、read、write和ioctl。

目录也是文件，但它是一种特殊类型的文件。在现代的UNIX（包括Linux）版本中，即使是超级用户可能也不再被允许直接对目录进行写操作。正常情况下，所有用户都必须用上层的opendir/readdir接口来读取目录，而无需了解特定系统中目录实现的具体细节。我们将在本章的后面部分学习对目录本身进行操作的特殊函数。

可以这么说，Linux中的任何事物都可以用一个文件代表，或者可以通过特殊的文件进行操作。当然，它们会与我们熟悉的传统文件有一些细微的区别，但两者的基本原则是一致的。下面就让我们来看看刚才提到的特殊文件。

3.1.1  目录

文件，除了本身包含的内容以外，它还会有一个名字和一些属性，即“管理信息”，例如文件的创建／修改日期和它的访问权限等。这些属性被保存在文件的inode（节点）数据结构中，它是文件系统中的一个特殊的数据块，它同时还包含文件的长度和文件在磁盘上的存放位置。系统使用的是文件的inode编号，目录结构仅仅是出于方便人们使用的目的而给文件命名。

目录是文件，它用来保存其他文件的节点号和名字。目录文件中的每个数据项都指向某个文件的节点，删除文件名就等于删除与之对应的链接（文件的节点号可以通过ln -i命令查看）。你可以通过使用ln命令在不同的目录中创建指向同一个文件的链接。如果指向某个文件的链接数（即ls -l命令的输出中跟在访问权限后面的那个数字）变为零，就表示该节点以及其指向的数据不再被使用，磁盘上的相应位置就会被标记为可用空间。

文件被安排在目录中，目录中可能还包含子目录。这些构成了我们所熟悉的文件系统层次结构。用户（比如neil）通常会把自己的文件保存在主目录中，可能是目录／home/neil，该目录可以再进一步划分为电子邮件、商业信函、工具程序等子目录。注意，许多UNIX和Linux的shell命令都允许通过一个简单的符号，让用户能够直接进入自己的主目录，这就是波浪线符号~。要想进入他人的主目录，就键入~user（~加用户名）即可。如你所知，每个用户的主目录通常是一个上层目录的子目录，这个上层目录是专为此目的而创建的，在这个例子中，它就是/home目录。

注意，不幸的是，标准库函数不能识别文件名参数中的波浪线符号。

/home目录本身又是根目录/的一个子目录，根目录位于目录层次的最顶端，它在它的各级子目录中包含着系统中的所有文件。根目录中通常包含用于存放系统程序（二进制可执行文件）的/bin子目录、用于存放系统配置文件的/etc子目录和用于存放系统函数库的/lib子目录。代表物理设备并为这些设备提供接口的文件按照惯例会被放在/dev子目录中，图3-1显示了典型的Linux目录结构的一部分。关于Linux 文件系统布局的更多信息请参考Linux文件系统标准（Linux File System Standard），读者也可以通过man hier命令来获得关于目录结构的描述。

3.1.2  文件和设备

甚至硬件设备在Linux操作系统中通常也被表示（映射）为文件。例如，作为超级用户，你可以通过如下的命令将CD-ROM驱动器挂载为一个文件：

这个命令将CD-ROM设备（在开机引导时被加载为/dev/hdc）中的当前内容挂载为/mnt/cdrom目录下的文件结构。然后，你就可以像操作普通文件那样在CD-ROM的目录中漫游，只不过该目录中的内容是只读的。

UNIX和Linux中比较重要的设备文件有三个——/dev/console、/dev/tty和/dev/null。

1．/dev/console

这个设备代表的是系统控制台。错误信息和诊断信息通常会被发送到这个设备。每个UNIX系统都会有一个指定的终端或显示屏用来接收控制台消息。过去，它可能是一台专用的打印终端。在现代的工作站和Linux上，它通常是“活跃”的虚拟控制台；而在X窗口系统中，它会是屏幕上一个特殊的控制台窗口。

2．/dev/tty

如果一个进程有控制终端的话，那么特殊文件/dev/tty就是这个控制终端（键盘和显示屏，或键盘和窗口）的别名（逻辑设备）。例如，通过cron运行的进程就没有控制终端，所以它们不能打开/dev/tty。

在能够使用该设备文件的情况下，/dev/tty允许程序直接向用户输出信息，而不管用户具体使用的是哪种类型的伪终端或硬件终端。在标准输出被重定向时，这一功能非常有用。命令ls –R | more就是一个这样的例子，more程序需要提示用户进行键盘操作之后才能显示下一页内容。我们将在第5章中看到更多使用/dev/tty的例子。

注意，虽然/dev/console设备只有一个，但通过/dev/tty却能够访问许多不同的物理设备。

3．/dev/null

这是空（null）设备。所有写向这个设备的输出都将被丢弃。而读这个设备会立刻返回一个文件尾标志，所以在cp命令里可以把它用做拷贝空文件的源文件。人们常把不需要的输出重定向到/dev/null。

可以在/dev目录中找到的其他设备包括，硬盘和软盘、通信端口、磁带驱动器、CD-ROM、声卡以及一些代表系统内部工作状态的设备。甚至还有/dev/zero设备，它的作用是作为内容是null字节的源文件来创建零长度文件。访问其中的某些设备需要具有超级用户权限，普通用户不能通过编写程序来直接访问如硬盘这样的底层设备。设备文件的名字会随系统的不同而不同。通常，Linux发行版都提供了以超级用户身份运行的应用程序，用来管理那些以其他用户身份无法访问的设备，例如，用于挂载文件系统的mount命令。

设备可分为字符设备和块设备。两者区别在于访问设备时是否需要一次读写一整块。一般情况下，块设备是那些支持随机文件系统存取的设备，例如硬盘。

在本章中，我们将集中讨论磁盘文件和目录。我们将在第5章中讨论另一种设备——用户终端。