cp&mkdir&rm&tac&df文件操作命令的代码实现

2018-01-26 10:31:14来源:https://www.jianshu.com/p/b4cb9f9c0fe2作者:batbattle人点击

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主要讲述 cp、mkdir、rm、tac、df 五个命令主要功能的模拟实现代码。让读者学会使用 strace 来跟踪系统调用的使用情况。加深读者对操作系统的认识与理解,引导读者学习 Linux 系统编程。

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。

cp 命令的实现

cp 命令的模拟实现

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:

清单 1. cp 命令实现代码


#include   <stdio.h>


#include   <unistd.h>


#include   <fcntl.h>


#include   <stdlib.h>


#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。

cp 命令实现的说明

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 命令的实现

rm 命令的模拟实现

rm 命令主要是用来删除一个文件。

该命令的实现代码如下:

清单 2. rm 命令代码


#include<unistd.h>


#include<stdlib.h>


#include<stdio.h>


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。


用 strace 来跟踪命令

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。

mkdir 命令的实现

mkdir 命令的模拟实现

再让我们来看看 mkdir 的实现。

完整的代码如下:

清单 3. mkdir 实现代码


#include<sys/stat.h>


#include<sys/types.h>


#include<stdio.h>


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?

mode_t 数据类型究竟是什么类型

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 命令的实现

tac 命令的模拟实现

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:

清单 4. tac 命令实现代码


#include<stdio.h>


#include<stdlib.h>


#include<sys/stat.h>


#include<sys/types.h>


#include<fnctl.h>


#include<erron.h>


#include<unistd.h>


#include<string.h>


#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。

tac 命令实现的说明

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。

df 命令的实现

df 命令的模拟实现

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):





清单 5. 模拟实现代码


#include<stdio.h>


#include<stdlib.h>


#include<errno.h>


#include<string.h>


#include<sys/vfs.h>


#include<math.h>


#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;


}


df 命令实现的说明

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。

小结

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。





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