实验四 文件系统
一、实验目的
1、熟悉Linux文件系统的文件和目录结构，掌握Linux文件系统的基本特征；
2、模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件。
二、实验内容
1、浏览Linux系统根目录下的子目录，熟悉每个目录的文件和功能；
2、设计程序模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件。
思考题：
1、使用系统调用函数open(),read(),write(),close()实现简单文件备份的原理是什么？
2、使用C库函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose() 来实现简单文件备份的原理是什么？
3、上述二者的区别在哪里？
三、实验原理
1、Linux各种发行版的目录结构基本一致，各个目录简单介绍如下：
目录 描述
/ 根目录
/bin 做为基础系统所需要的最基础的命令就是放在这里。比如 ls、cp、mkdir等命令；功能和/usr/bin类似，这个目录中的文件都是可执行的，普通用户都可以使用的命令。
/boot Linux的内核及引导系统程序所需要的文件，比如 vmlinuz initrd.img 文件都位于这个目录中。在一般情况下，GRUB或LILO系统引导管理器也位于这个目录；启动装载文件存放位置，如kernels,initrd,grub。一般是一个独立的分区。
/dev 一些必要的设备,声卡、磁盘等。还有如 /dev/null. /dev/console /dev/zero /dev/full 等。
/etc 系统的配置文件存放地. 一些服务器的配置文件也在这里；比如用户帐号及密码配置文件；
/etc/opt:/opt对应的配置文件
/etc/X11:Xwindows系统配置文件
/etc/xml:XML配置文件
……
/home 用户工作目录，和个人配置文件，如个人环境变量等，所有的账号分配一个工作目录。一般是一个独立的分区。
/lib 库文件存放地。bin和sbin需要的库文件。类似windows的DLL。
/media 可拆卸的媒介挂载点，如CD-ROMs、移动硬盘、U盘，系统默认会挂载到这里来。
/mnt 临时挂载文件系统。这个目录一般是用于存放挂载储存设备的挂载目录的，比如有cdrom 等目录。可以参看/etc/fstab的定义。
/opt 可选的应用程序包。
/proc 操作系统运行时，进程（正在运行中的程序）信息及内核信息（比如cpu、硬盘分区、内存信息等）存放在这里。/proc目录伪装的文件系统proc的挂载目录，proc并不是真正的文件系统，它的定义可以参见 /etc/fstab 。
/root Root用户的工作目录
/sbin 和bin类似，是一些可执行文件，不过不是所有用户都需要的，一般是系统管理所需要使用得到的。
/tmp 系统的临时文件，一般系统重启不会被保存。
/usr 包含了系统用户工具和程序。
/usr/bin：非必须的普通用户可执行命令
/usr/include：标准头文件
/usr/lib:/usr/bin/ 和 /usr/sbin/的库文件
/usr/sbin:非必须的可执行文件
/usr/src:内核源码
/usr/X11R6:X Window System, Version 11, Release 6.
/srv 该目录存放一些服务启动之后需要提取的数据
2、Linux的文件结构是单个的树状结构.可以用tree进行展示。文件操作命令见附录1，
3、Linux文件系统：Linux 中允许众多不同的文件系统共存，如 ext2, ext3, vfat 等。通过使用同一套文件 I/O 系统 调用即可对 Linux 中的任意文件进行操作而无需考虑其所在的具体文件系统格式；更进一步，对文件的 操作可以跨文件系统而执行。“一切皆是文件”是 Unix/Linux 的基本哲学之一。不仅普通的文件，目录、字符设备、块设备、 套接字等在 Unix/Linux 中都是以文件被对待；它们虽然类型不同，但是对其提供的却是同一套操作界面。
4、虚拟文件系统（Virtual File System, 简称 VFS）， 是 Linux 内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口；同时，它也提供了内核中的一个 抽象功能，允许不同的文件系统共存。系统中所有的文件系统不但依赖 VFS 共存，而且也依靠 VFS 协同工作。为了能够支持各种实际文件系统，VFS 定义了所有文件系统都支持的基本的、概念上的接口和数据 结构；同时实际文件系统也提供 VFS 所期望的抽象接口和数据结构，将自身的诸如文件、目录等概念在形式 上与VFS的定义保持一致。换句话说，一个实际的文件系统想要被 Linux 支持，就必须提供一个符合VFS标准 的接口，才能与 VFS 协同工作。实际文件系统在统一的接口和数据结构下隐藏了具体的实现细节，所以在VFS 层和内核的其他部分看来，所有文件系统都是相同的。
5、利用C库函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose() 来实现简单的文件备份， 即将一个文件的内容拷贝到另一个文件中去。
四、实验中用到的系统调用函数
实验只是模拟实现文件的备份功能，不需要系统调用函数。
五、实验步骤
1、 对文件系统命令和库函数要提前熟悉；
常见的文件系统命令有：
df:检查Linux服务器的文件系统的磁盘空间占用情况｡
mount:用于挂载Linux系统外的文件。
du:查看某个文件或目录所占用磁盘空间的大小
ls:列出目录下的文件。
cd:切换目录。
pwd：显示当前工作目录。
mkdir:创建目录。
rm:删除文件或目录。
cp:主要用于复制文件或目录。
touch:刷新已存在的文件的访问时间或创建一个不存在的文件。
mv:移动文件。
ln:创建文件链接。
stat:主要用于显示文件或文件系统的详细信息
cat:用于连接文件并打印到标准输出设备上。
文件系统库函数：
fopen:打开文件
函数原型：FILE * fopen(const char *path,const char *mode)
函数参数说明：
path:文件名，包含路径，缺省为当前路径。
mode:r,rb:以只读方式打开文件。
w,wb:只写方式打开文件，如果文件不存在，则创建该文件。
a,ab:追加方式打开文件，如果文件不存在，则创建该文件。
r+,r+b,rb+:读写方式打开文件。
w+,w+b,wb+:读写方式打开，如果文件不存在，则创建该文件。
a+,a+b,ab+:读和追加方式打开文件，如果文件不存在，则创建该文件。
函数返回值：
成功：返回指向该流的文件指针。
失败：返回NULL，并将错误代码存放在errno中。
fclose:关闭之前打开的文件
函数原型:int fclose( FILE * stream)
函数参数说明：
stream:成功打开文件返回的FILE类型指针。
函数返回值：
若关文件动作成功则返回0，有错误发生时则返回EOF并把错误代码存到errno
fread:从文件流中读取数据
函数原型： size_t fread(void * ptr,size_t size,size_t nmemb,FILE * stream);
函数参数说明：
ptr：指向欲存放读取进来的数据空间；
size：读取的块个数，跟nmemb配合使用
nmemb：读取的字符数；
stream：已打开的文件指针。
函数返回值：
成功：返回已读取的字节数/时间写入字段数；
失败：返回0，并将错误代码存在erron中。
fwrite:写文件
函数原型：size_t fwrite(const void *ptr,size_t size,size_t nmemb,FILE *stream)
函数参数说明：
ptr：指向欲写入的数据地址；
size:每个字段的长度；
nmemb：写入的字符数；
stream：已打开的文件指针。
函数返回值：
成功：返回已读取的字节数/时间写入字段数；
失败：返回0，并将错误代码存在erron中。
fgetc：从指定的文件中读一个字符
函数原型：int fgetc(FILE *stream)
函数参数说明：stream：已打开的文件指针。
fputc：从指定的文件中写入一个字符
函数原型：int fputc(int c,FILE *stream)
函数参数说明：
c:输出字符量；
stream：已打开的文件指针。
2、 画出备份文件的过程图；
3、 测试数据文件提前准备好；
4、 编写程序并调试；
5、 截屏输出实验结果；
6、 根据实验结果与理论课讲述的原理进行实验分析。
六、实验数据及源代码（学生必须提交自己设计的程序源代码，并有注释，源代码电子版也一并提交），包括思考题的程序。
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> void main(){ FILE *fpr,*fpw; fpr = fopen("file.txt","r"); //以只允许读的方式打开文件 if (fpr==NULL) {//读取文件失败 printf("读取文件失败!\n"); exit(1);//异常退出 } fpw = fopen("copy.txt","w");//打开用于存储备份文件的文件，如果没有该文件则创建一个 if (fpw==NULL) {//创建文件失败 printf("创建文件失败!\n"); exit(1);//异常退出 } char buf[100]={0};//申请数据空间 int byteNum= 0;//记录已读取的字节数 while ((byteNum=fread(buf, sizeof(char),1, fpr)) > 0){//读取成功 fwrite(buf,sizeof(char),byteNum,fpw);//进行备份写入 } printf("文件备份成功！\n"); fclose(fpr);//关闭文件 fclose(fpw); }
七、实验结果分析（截屏的实验结果，与实验结果对应的实验分析）
1.浏览Linux系统根目录下的子目录，熟悉每个目录的文件和功能；
Linux目录结构和Windows的有很大的不同，Linux的目录结构是树形结构，最顶层是根目录。可以看到，Linux系统根目录下的子目录有bin、boot、cdrom 、dev、etc、home、lib lib32、lib64、libx32、lost+found、media、mnt、opt、proc、root、run、sbin、snap、srv、swapfile sys、tmp、usr、var。基本上各目录的文件和功能在实验原理上面都有介绍，但是有一些目录在实验原理上面是没有的，下面是它们的文件和功能的介绍：
lost+found:当系统出现意外导致文件丢失，可以在这里找回丢失的文件，其作用是用来存放fask过程中部分修复的文件。
run:是一个临时文件系统，存储系统启动以来的信息。当系统重启时，这个目录下的文件应该被删掉或清除。
swapfile:是一个内存交换分区文件。
sys:用于将系统中的设备组织成层次结构，并向用户模式程序提供详细的内核数据结构信息。
var:某些大文件的溢出区，比方说各种服务的日志文件。常见的子目录有：
/var/cache：应用程序本身运行过程中会产生的一些暂存文件。
/var/lib:程序本身执行过程中需要使用到的数据文件放置的目录。
/var/lock:对某些只能一次被一个应用程序所使用的文件或设备上锁。
/var/log:登录文件放置日志的目录。
/var/run:某些程序启动服务后在该目录下放置PID。
2.设计程序模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件。
OS文件夹：
file.txt文件：
运行程序进行备份：
备份后的OS文件夹：
copy.txt：
一开始我的OS文件夹里面并没有copy.txt这个文件，但是有file.txt这个文件，程序要做的是用fopen函数打开file.txt文件，并且创建一个copy.txt文件，然后用fread函数读取file.txt文件的内容，最后用fwrite函数向copy.txt文件中写入读出的内容。可以看到程序运行结束后OS文件夹里面多了一个copy.txt文件，并且里面的内容和file.txt的内容一致，说明备份成功。
思考题：
1、使用系统调用函数open(),read(),write(),close()实现简单文件备份的原理是什么？
系统调用 open 用于创建一个新的文件描述符。open 建立了一条到文件或设备的访问路径，如果调用成功，它将返回一个可以被 read、write 和其他系统调用使用的文件描述符。而read调用函数则从文件描述符相关联的文件里读入n个字节的数据，并把它们放到数据缓冲区中。系统调用 write 则是把缓冲区的前n个字节写入与文件描述符关联的文件中。系统调用close则关闭文件描述符与其对应文件之间的关联。
2、使用C库函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose() 来实现简单文件备份的原理是什么？
在Linux系统中，文件和设备都被看做数据流，进行操作之前，必须先将流打开，可以通过调用库函数fopen()打开一个流，库函数fopen()的返回值为一个FILE结构指针，此结构中包含对所打开的流进行操作所需的全部信息。当流操作完成后，需要执行清空缓冲区，保存数据等操作，所以这个时候需要将流关闭，调用函数fclose()来完成。在实现文件备份的过程中，实际上是建立了两个流，把其中一个流中的数据写入另一个流中从而实现备份。
3、上述二者的区别在哪里？
(1)库函数是语言或应用程序的一部分，而系统调用是内核提供给应用程序的接口，属于系统的一部分；
(2)库函数在用户地址空间执行，系统调用是在内核地址空间执行，库函数运行时间属于用户时间，系统调用属于系统时间，库函数开销较小，系统调用开销较大；
(3)库函数是有缓冲的，系统调用是无缓冲的；
(4)系统调用依赖于平台，库函数并不依赖。
