【虚拟文件系统】文件系统 API 解读（1）

         Linux 是近年来发展起来的一种新型的操作系统，其最重要的特征之一就是支持多种文件系统，使其更加灵活，从而与许多其它的操作系统共存。Linux支持ext，ext2，xia，minix，umsdos，msdes，fat32 ，ntfs,proc，stub，ncp，hpfs，affs 以及 ufs 等多种文件系统。为了实现这一目的，Linux 对所有的文件系统采用统一的文件界面，用户通过文件的操作界面来实现对不同文件系统的操作。对于用户来说，我们不要去关心不同文件系统的具体操作过程，而只是对一个虚拟的文件操作界面来进行操作，这个操作界面就是 Linux 的虚拟文件系统(VFS ) 。

        本文讲述的虚拟文件系统 API 内容源自 Linux man。本文主要对各 API 进行详细介绍，从而更好的理解文件系统操作。

---

open(2)

open()

creat()

openat()    遵循 POSIX.1-2008

openat2(2) 遵循 Linux 标准

1.库

标准 c 库，libc, -lc

2.头文件

3.接口定义

 
       int open(const char *pathname, int flags);
       int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
 
       int creat(const char *pathname, mode_t mode);
 
       int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags);
       int openat(int dirfd, const char *pathname, int flags, mode_t mode);
 
       /* Documented separately, in openat2(2): */
       int openat2(int dirfd, const char *pathname,
                   const struct open_how *how, size_t size);

        openat() 依赖的宏：

        glibc 2.10 后，_POSIX_C_SOURCE >= 200809L

        glibc 2.10 前，_ATFILE_SOURCE 

4.接口描述

       open() 系统调用用来打开 pathname 指定的文件。如果指定的文件不存在，open() 有可能会创建该文件（flags 标记中指定了 O_CREAT）。

        open() 的返回值是一个文件描述符，它是一个指向进程打开文件描述符符表入口的小非负数。文件描述符会在接下来的各种操作（read(2)、write(2)、lseek(2)、fcntl(2) 等）种用来指向这个打开的文件。返回的文件描述符是当前进程中没有打开的描述符号码最小的那个。

        默认情况下，文件描述符被设置为在 execve(2) 前后保持打开（fcntl(2) 中描述的 FD_CLOEXEC 标记初始被设置为禁止），不过可以通过下面的 O_CLOEXEC 标记来修改这个设置。文件偏移值被设置为文件的开始（参考 lseek(2)）。

        open() 调用会创建一个新的打开文件描述（open file description），系统打开文件表中的条目（entry）。打开文件描述记录文件的偏移以及文件状态标记（参考下面）。一个文件描述符是一个打开文件描述的索引，这个索引不会受到 pathname 删除或者指向另一个文件影响，更多关于打开文件描述参考后面注意章节。

        flags 参数必须包含下面访问模式中的一种：O_RDONLY、O_WRONLY、O_RDWR。这些请求以只读、只写或者读写方式打开相应文件。

        此外，可以在 flags 里指定文件创建标记或者文件状态标记，每个标记进行位或。文件创建标记包括：O_CLOEXEC、O_CREAT、O_DIRECTORY、O_EXCL、O_NOCTTY、O_NOFOLOOW、O_TMPFILE 和 O_TRUNC。文件状态标记包括下面列表中所有其他标记。这两组标记的区别是创建标记影响打开操作本身的语义，而文件状态标记影响接下来所有 I/O 操作。文件状态标记能够通过 fcntl(2) 得到或者修改（一些情况下）。

        所有文件创建标记和文件状态标记如下：

        O_APPEND

        文件以追加模式打开。在每次 write(2) 前，文件偏移都是被指定到文件的末尾的，和 lseek(2) 一样。文件偏移的修改以及写操作以单原子步骤进行。

        在 NFS 文件系统中，如果多个进程向同一个文件通过 O_APPEND 追加数据，那么有可能会导致文件破坏。因为 NFS 不支持向文件追加数据，所以内核就需要模拟，而这种模拟只有在存在数据竞争情况下才能实现。

        O_ASYNC

        开启信号驱动的 I/O 操作：当文件描述符输入

输出数据可用时生成一个信号（默认是 SIGIO，但是可以通过 fcntl(2) 修改）。这个特性只在终端、伪终端、套接字以及管道、FIFO （Linux 2.6 后）有效。参考 fcntl(2) 查阅更多内容，也可以查看后面 BUGS 章节。

        O_CLOEXEC（Linux 2.6.23 后）

        使能新文件描述符的执行关闭标记(close-on-exec)，设置这个标记省去了通过 fcntl(2) F_SETFD 操作来设置 FD_CLOEXEC 标记。

        多线程场景下这个标记是很常用的，比如一个线程通过 fcntl(2) F_SETFD 设置 FD_CLOEXEC 标记而另一个线程打开了文件描述符并且通过 fork(2) 和 execve(2) 传教子进程，这就可能会存在竞争问题。根据执行的不同顺序，新打开的文件描述符可能会无意的泄露给 fork(2) 创建的子进程。

        O_CREAT

        如果 pathname 不存在，以常规文件创建它。

        新文件的所有者（用户 ID）是进程的有效用户 ID。

        新文件的用户组 ID 是进程的有效组 ID （System V 语义）或者父目录的组 ID（BSD 语义）。Linux 上主要依赖父目录的设置组 ID 模式位是否被设置：如果设置了，那么就适用 BSD 语义，否则适用于 System V 语义。对于一些文件系统，行为依赖于 mount(8) 中描述的 bsdgroups 和 sysvgroups 的挂载选项

        mode 参数指定应用在新创建文件上的文件模式位。如果 O_CREAT 和 O_TMPFILE 都没有指定，那么 mode 参数会被忽略。对于 这两个选项必须提供 mode 参数，如果没有提供，那么就会使用栈上对应的随机值用作模式（很危险了）。

        有效模式通过进程的 umask 修改：在没有 ACL 访问控制表的情况下，创建文件的模式为 mode&~umask。

        下面这些符号常量可以用于 mode：

        S_IRWXU        00700 用户（文件拥有者）具有读写以及执行权限

        S_IRUSR        00400 用户具有读权限

        S_IWUSR       00200 用户具有写权限

        S_IXUSR        00100 用户具有执行权限

        S_IRWXG       00070 用户组具有读写和执行权限

        S_IRGRP        00040 用户组具有读权限

        S_IWGRP       00020 用户组具有写权限

        S_IXGRP        00010 用户组具有执行权限

        S_IRWXO       00007 其他人具有读写执行权限

        S_IROTH        00004 其他人具有读权限

        S_IWOTH       00002 其他人具有写权限

        S_IXOTH        00001 其他人具有执行权限

        根据 POSIX 要求，mode 中如果指定其他位，那么行为是未定义的。Linux 上也可以设置下面这些位：

        S_ISUID        0004000 设置用户 ID 位

        S_ISGID        0002000 设置用户组 ID （参考 inode(7)）

        S_ISVTX       0001000 黏贴位（参考 inode(7)）

5.返回值

       成功时，open()、openat()、creat() 会返回一个新的文件描述符（一个非负数）。错误时返回 -1，并设置 errno 提示相应的错误。 

6.注意

       在 Linux 上，O_NOBLOCK 标记有时也有一些特殊用途，比如指向打开一个文件而不会对其读写。比如，可以使用这个来打开一个设备的文件描述符，后面会使用 ioctl(2) 来操作设备。

7.代码示例

// C program to illustrate 
// open system call 
#include  
#include  
#include  
#include  
 
extern int errno; 
 
int main() 
{ 
	// if file does not have in directory 
	// then file foo.txt is created. 
	int fd = open("foo.txt", O_RDONLY | O_CREAT); 
 
	printf("fd = %d\n", fd); 
 
	if (fd == -1) { 
		// print which type of error have in a code 
		printf("Error Number % d\n", errno); 
 
		// print program detail "Success or failure" 
		perror("Program"); 
	} 
	return 0; 
}