Лекция 18: Файлы в Си и Файловые системы Linux

"Я многим обязан своим родителям, особенно матери и отцу."
— Грег Норман

Основы файловых систем

Что такое файл?

Файл — это именованная область данных, хранящаяся на носителе информации (жесткий диск, SSD, флешка и т.д.), доступная по уникальному имени. ОС могут рассматривать как файлы и обрабатывать сходным образом и другие ресурсы, такие как устройства (клавиатура, экран, принтер), потоки данных и сетевые ресурсы.

Файловая система (ФС)

Файловая система (ФС) — это:

• Набор правил и структур, описывающих, как данные (файлы и каталоги) организуются и хранятся на носителе.
• Совокупность всех файлов, хранимых в компьютерной системе.
• (В контексте UNIX-подобных систем) Совокупность всех файлов на разделе диска или устройстве вместе с самими устройствами, которые также представлены как файлы.

По сути, ФС определяет порядок и способ именования, хранения и организации информации. Практические реализации файловых систем, например, NTFS или ext4, — это технический способ организации информации на определенном типе носителя в соответствии с принятыми правилами.

Структура файловой системы Linux

В отличие от операционных систем семейства Windows, где каждый логический или физический раздел диска имеет свою букву и независимую иерархию (например, C:\, D:\), в Linux используется единая иерархическая структура с одним корневым каталогом (/). Все устройства монтируются в единое дерево каталогов.

Ключевые особенности структуры ФС Linux

• Единый корень (/): Вся файловая система начинается с корневого каталога.
• Монтирование устройств: Дополнительные разделы диска, USB-флешки, оптические диски и другие носители подключаются (монтируются) к определенным каталогам внутри этого единого дерева, называемым точками монтирования (например, /media для съемных носителей или пользовательские точки монтирования). Это делает пути к данным более стабильными, независимо от того, на каком физическом устройстве они расположены.
• "Все есть файл": В Linux все, включая дисковые накопители и устройства (клавиатура, экран, принтер и т.д.), представлено в виде файлов. Это ключевое понятие, позволяющее единообразно работать с различными ресурсами через файловые операции.
• Иерархичность: ФС Linux имеет единый корень (/).
• Неизменность путей: Пути к данным остаются постоянными даже при изменении физической структуры дисков благодаря монтированию.
• Регистрозависимость: Имена файлов и каталогов в Linux чувствительны к регистру символов (например, Document.txt и document.txt — это два разных файла).

Типы файлов в Linux (по первому символу в выводе команды ls -l)

В выводе команды ls -l первый символ строки показывает тип файла:

Основные каталоги в Linux

Вот краткое описание назначения некоторых важных стандартных каталогов корневой файловой системы Linux:

• /: Корень файловой системы.
• /bin: Основные исполняемые файлы (бинарники) пользовательских команд, необходимые для работы системы в однопользовательском режиме и доступные всем пользователям.
• /sbin: Системные исполняемые файлы, предназначенные для системного администрирования (часто доступны только суперпользователю root).
• /etc: Конфигурационные файлы системы и установленных программ.
• /dev: Файлы устройств.
• /proc: Виртуальная файловая система, содержащая информацию о запущенных процессах и ресурсах системы (создается ядром в оперативной памяти).
• /sys: Виртуальная файловая система, предоставляющая интерфейс к устройствам, подключенным к системе, и к ядру.
• /var: Переменные данные. Содержит файлы, которые часто изменяются в процессе работы системы (логи /var/log, кеш /var/cache, очереди печати и т.п.).
• /tmp: Временные файлы. Доступен для записи всем пользователям, содержимое часто удаляется при перезагрузке.
• /usr: Содержит основную часть программного обеспечения пользователя, библиотеки, документацию.
• /home: Домашние каталоги пользователей. В каждом подкаталоге (например, /home/user1) хранятся личные файлы и настройки конкретного пользователя.
• /boot: Файлы, необходимые для загрузки операционной системы (загрузчик, ядро).
• /lib / /lib64: Системные библиотеки, необходимые для работы программ из /bin и /sbin.
• /opt: Дополнительное программное обеспечение, устанавливаемое сторонними производителями.
• /mnt: Традиционное место для временного монтирования файловых систем (например, сетевых дисков, других разделов).
• /media: Точка монтирования для съемных носителей (USB-флешек, CD/DVD) при автоматическом монтировании в графической среде.
• /srv: Данные для сервисов, предоставляемых системой (например, файлы веб-сервера).
• /run: Временные файлы, содержащие информацию о запущенных процессах с момента последней загрузки системы.

Имена файлов и папок в Linux

Ограничения и особенности имен файлов и каталогов в Linux:

• Максимальная длина имени файла/каталога обычно составляет 255 символов.
• Символ / запрещен в именах, так как он используется как разделитель компонентов пути.
• Имя, начинающееся с точки (.), считается скрытым и не отображается по умолчанию командой ls.
• Имена чувствительны к регистру (file.txt ≠ File.txt).
• Пробелы в именах допускаются, но считаются плохим тоном в профессиональной среде. Использование пробелов и некоторых спецсимволов допустимо, но не рекомендуется для удобства работы в командной строке (требуют экранирования или заключения в кавычки) и для совместимости при копировании на другие файловые системы.

Что такое Inode?

Inode (индексный дескриптор) — это ключевая структура данных в файловых системах Linux (и других UNIX-подобных систем), которая действует как "паспорт" или "карточка" для каждого файла или каталога на диске.

Inode хранит всю метаинформацию об объекте файловой системы, кроме его имени: * Тип файла (обычный файл, каталог, ссылка и т.д.). * Права доступа (кто может читать, писать, выполнять). * Владельца и группу. * Размер файла. * Время создания, последнего доступа и модификации. * И самое главное — указатели на блоки данных на диске, где физически хранится содержимое файла.

Каждому Inode присваивается уникальный номер в рамках конкретной файловой системы.

Имя файла в каталоге — это просто ссылка или "ярлык", который связывает понятное человеку имя с соответствующим номером Inode. Когда вы обращаетесь к файлу по имени, система использует это имя, чтобы найти нужный Inode, а затем по информации из Inode находит сами данные файла на диске.

Несколько жестких ссылок могут указывать на один и тот же Inode, потому что они являются разными именами, ссылающимися на одну и ту же "карточку" с информацией об одних и тех же данных.

Управление файловыми системами на уровне ОС

• /etc/fstab: Этот конфигурационный файл содержит информацию о файловых системах и параметрах их автоматического монтирования (подключения) при загрузке системы. Каждая строка описывает одну файловую систему, указывая устройство (или его UUID), точку монтирования, тип ФС, опции монтирования (например, defaults, auto, noauto, ro - только чтение, rw - чтение-запись) и параметры проверки и резервного копирования.
• fsck: Утилита (file system check), используемая для проверки и восстановления целостности файловых систем на предмет ошибок и несоответствий. Важно: Применять fsck следует только к размонтированным файловым системам (за исключением корневой ФС, которую можно проверять в режиме только для чтения во время загрузки).

Основные команды Linux для работы с файлами

• ls: Вывести список файлов и каталогов. (ls -l - подробный список)
• cd [каталог]: Сменить текущий каталог.
• pwd: Показать полный путь к текущему каталогу.
• mkdir [каталог]: Создать новый каталог.
• rm [файл/каталог]: Удалить файл или пустой каталог. (rm -r - удалить каталог с содержимым).
• mv [источник] [назначение]: Переместить или переименовать файл/каталог.
• cp [источник] [назначение]: Скопировать файл/каталог.
• cat [файл]: Вывести содержимое файла на экран (или объединить несколько файлов).
• grep [шаблон] [файл]: Найти строки, соответствующие шаблону, в файле. (grep -i - игнорировать регистр).
• ln [цель] [ссылка]: Создать жесткую ссылку. (ln -s [цель] [ссылка] - создать символическую ссылку).
• touch [файл]: Создать пустой файл или обновить время последнего доступа/модификации.

Права доступа к файлам в Linux

Linux использует классическую систему прав доступа, основанную на понятиях владельца, группы и остальных пользователей. Права хранятся в специальном поле атрибутов файла.

Структура поля атрибутов файла

Поле атрибутов файла включает информацию о его типе и правах доступа. Права доступа кодируются в 9 битах, разбитых на три группы по 3 бита: * Права для владельца файла (User). * Права для группы, которой принадлежит файл (Group). * Права для всех остальных пользователей системы (Other).

Виды прав и их значение

В каждой из трех групп прав (user, group, other) могут быть установлены следующие права:

Права могут быть представлены в символьной форме (например, rwxr-xr--) или в числовой (восьмеричной) форме, где каждое число (от 0 до 7) является суммой значений установленных прав в соответствующей группе (например, rwx = 4+2+1=7, r-x = 4+0+1=5). Права для владельца, группы и остальных записываются последовательно (например, 755 соответствует rwxr-xr-x).

Особые признаки прав доступа

Существуют три особых признака, которые могут быть установлены для файлов или каталогов, влияющие на поведение при выполнении или доступе. Они также кодируются в поле атрибутов.

При установке SUID или SGID символ x в соответствующей группе прав заменяется на s. Если исполняемое право не было установлено, вместо s будет S. Sticky-бит заменяет x на t в группе "остальные". Если исполняемое право не было установлено, вместо t будет T. Числовое представление особых признаков ставится перед основными тремя цифрами прав (например, 4755 означает установленный SUID и права 755).

Работа с файлами в языке Си

В языке программирования Си для работы с файлами и устройствами ввода/вывода используется абстракция потоков данных (stream). Поток — это последовательность байтов, которая течет от источника к получателю. Внешние устройства (клавиатура, экран, принтер) и файлы на диске рассматриваются как потоки.

Потоки данных: Концепция

Поток данных в Си — это абстракция, позволяющая работать с различными источниками/приемниками данных (файлы, устройства) унифицированным способом. Библиотека стандартного ввода-вывода (stdio) управляет этими потоками, предоставляя буферизацию и преобразования данных для удобства программиста.

Пример (концептуальный):

#include <stdio.h>

int main() {
    int character;

    printf("Введите символ: "); // Вывод в поток stdout
    character = getchar();      // Чтение из потока stdin

    printf("Вы ввели: ");       // Вывод в поток stdout
    putchar(character);         // Вывод символа в поток stdout
    printf("\n");

    return 0;
}

Стандартные потоки

При запуске любой программы на Си автоматически открываются три стандартных потока, связанных с консолью:

• stdin: Стандартный поток ввода (обычно связан с клавиатурой).
• stdout: Стандартный поток вывода (обычно связан с экраном для обычного вывода).
• stderr: Стандартный поток ошибок (обычно связан с экраном для вывода сообщений об ошибках).

Поток stderr часто небуферизован для немедленного отображения ошибок. Эти потоки представлены указателями типа FILE* и объявлены в заголовочном файле stdio.h. Функции консольного ввода-вывода, такие как scanf, printf, getchar, putchar, являются высокоуровневыми функциями, работающими со stdin и stdout.

Структура FILE

Для управления потоками библиотека stdio.h использует структуру FILE. Указатель на эту структуру (FILE *) используется функциями для работы с файлами и потоками.

Структура FILE (часто реализуемая как struct _IO_FILE) содержит всю необходимую информацию о потоке: текущую позицию указателя чтения/записи, состояние буфера, флаги ошибок и конца файла. Программисты работают с файлами исключительно через указатели FILE* и функции стандартной библиотеки, не обращаясь напрямую к полям структуры FILE.

Общий алгоритм работы с файлом

Типичный цикл работы с файлом в Си выглядит так:

1. Открыть поток (fopen).
2. Выполнить операции (чтение/запись). При необходимости можно изменять текущую позицию в потоке (fseek, rewind).
3. Закрыть поток (fclose). Обязательно! Закрытие файла освобождает системные ресурсы и гарантирует сброс данных из буферов на диск.

Буферизация

Ввод-вывод в Си обычно буферизован. Это означает, что данные не передаются между программой и устройством напрямую при каждом вызове функции чтения/записи. Вместо этого данные сначала накапливаются в специальной области памяти — буфере — и только затем передаются на устройство или считываются с него блоками.

• Как работает: При записи данные сначала попадают в буфер вывода. Когда буфер заполняется, или принудительно (fflush()), или при закрытии потока, его содержимое записывается на устройство. При чтении блок данных считывается с устройства в буфер ввода, и затем программа читает данные из этого буфера по запросу.
• Преимущество: Буферизация значительно ускоряет операции ввода-вывода, уменьшая количество медленных обращений к устройствам хранения данных.
• Принудительный сброс: Функция fflush(FILE *stream) принудительно записывает содержимое буфера вывода на устройство. Размер буфера по умолчанию определяется константой BUFSIZ (обычно 512, 1024 или 4096 байт). Можно изменить поведение буферизации функциями setbuf() и setvbuf(). Для потоков ввода fflush() не определена стандартно, но может очищать буфер ввода в некоторых реализациях.

Режимы открытия файлов (функция fopen)

FILE *fopen(const char *filename, const char *mode): Открывает файл с заданным именем (filename) в указанном режиме (mode) и возвращает указатель на FILE или NULL в случае ошибки. Обязательно проверяйте возвращаемое значение на NULL!

Пример открытия и закрытия с проверкой:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // Для использования perror()

int main() {
    FILE *fp;
    char filename[] = "my_test_file.txt";

    // Попытка открыть файл для чтения
    if ((fp = fopen(filename, "r")) == NULL) {
        // Если fopen вернул NULL, значит, произошла ошибка (например, файл не найден)
        perror("Ошибка открытия файла для чтения"); // Выводит сообщение об ошибке из системы
        // return 1; // Завершить программу с кодом ошибки
        // Пример продолжения: попытка создать файл для записи
        printf("Попробуем создать файл для записи...\n");
        if ((fp = fopen(filename, "w")) == NULL) {
             perror("Ошибка создания файла для записи");
             return 1; // Завершить программу с кодом ошибки
        }
        printf("Файл успешно создан и открыт для записи.\n");
    } else {
        printf("Файл успешно открыт для чтения.\n");
    }

    // Здесь выполняются операции с файлом...

    // Закрытие файла
    if (fclose(fp) != 0) {
        // Если fclose вернул ненулевое значение, произошла ошибка при закрытии
        perror("Ошибка закрытия файла");
        return 1; // Завершить программу с кодом ошибки
    }
    printf("Файл успешно закрыт.\n");

    return 0; // Успешное завершение программы
}

Закрытие файла (функция fclose)

int fclose(FILE *stream): Закрывает поток, связанный с указанным указателем stream. Возвращает 0 при успехе, EOF при ошибке. Обязательно закрывайте открытые файлы для освобождения системных ресурсов и гарантии записи буферизованных данных на диск.

Низкоуровневый файловый ввод-вывод (Файловые дескрипторы)

Параллельно с высокоуровневыми функциями stdio.h, существует низкоуровневый интерфейс работы с файлами, основанный на системных вызовах и файловых дескрипторах.

• Файловый дескриптор (file descriptor, fd) — это целое число (int), которое ядро операционной системы присваивает каждому открытому файлу или устройству для конкретного процесса. Дескрипторы уникальны в пределах одного процесса.
• Низкоуровневые функции (системные вызовы): open(), read(), write(), close(), lseek(). Они взаимодействуют напрямую с ядром ОС, минуя буферизацию, предоставляемую stdio (хотя ядро само может буферизовать).
• Стандартные дескрипторы (автоматически открыты): 0 (stdin), 1 (stdout), 2 (stderr). Функция fileno(FILE *stream) возвращает файловый дескриптор, связанный с потоком FILE*.

Текстовые и бинарные файлы

Файлы могут обрабатываться как текстовые или бинарные потоки. Режим открытия (t или b в строке режима fopen) определяет, какие преобразования данных будут выполняться библиотекой Си.

Текстовый поток

Последовательность символов, организованная в строки, разделенные символом новой строки (\n). При работе в текстовом режиме библиотека stdio может выполнять преобразования символов конца строки (например, \n в CR+LF в Windows). Чтение также может интерпретировать определенный символ (0x1A в Windows) как маркер конца файла (EOF).

Бинарный поток

Последовательность байтов без каких-либо преобразований. Данные читаются и записываются "как есть" (байт в байт). Используется для данных любых типов и позволяет прямой доступ по байтам.

Функции для работы с файлами в Си (stdio.h)

• Основные функции:

• Дополнительные функции:

Пример текстового ввода/вывода:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    FILE *fp;
    int num;
    fp = fopen("data.txt", "w");
    if (fp == NULL) { perror("Write error"); return 1; }
    fprintf(fp, "%d", 123); fclose(fp);

    fp = fopen("data.txt", "r");
    if (fp == NULL) { perror("Read error"); return 1; }
    fscanf(fp, "%d", &num); fclose(fp);
    printf("Read number: %d\n", num);
    return 0;
}

Пример бинарного ввода/вывода:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

struct Data { int id; double value; };

int main() {
    FILE *fp;
    struct Data data_to_write = {1, 3.14};
    struct Data read_data;

    fp = fopen("binary.bin", "wb");
    if (fp == NULL) { perror("Write error"); return 1; }
    fwrite(&data_to_write, sizeof(struct Data), 1, fp);
    fclose(fp);

    fp = fopen("binary.bin", "rb");
    if (fp == NULL) { perror("Read error"); return 1; }
    fread(&read_data, sizeof(struct Data), 1, fp);
    fclose(fp);

    printf("Read binary data: id=%d, value=%f\n", read_data.id, read_data.value);
    return 0;
}

Позиционирование в файле (fseek, rewind, ftell)

• rewind(FILE *stream): В начало файла.
• fseek(FILE *stream, long int offset, int whence): Перемещает указатель. offset - смещение, whence - начало (SEEK_SET, SEEK_CUR, SEEK_END). Вернет 0 или ошибку.
• ftell(FILE *stream): Текущая позиция (смещение от начала). Вернет -1L при ошибке.

Пример использования fseek:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    FILE *fp;
    fp = fopen("seek_example.txt", "w+");
    if (fp == NULL) { perror("Ошибка открытия"); return 1; }
    fputs("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz", fp); // Запись
    fseek(fp, 5, SEEK_SET); // На 5 байт от начала
    printf("Позиция (SEEK_SET + 5): %ld\n", ftell(fp)); // 5
    int c = fgetc(fp); // Читаем 'f'
    printf("Прочитан: %c\n", c); // f
    printf("Позиция (после чтения): %ld\n", ftell(fp)); // 6
    fseek(fp, -10, SEEK_END); // На 10 байт назад от конца
    printf("Позиция (SEEK_END - 10): %ld\n", ftell(fp)); // 16 (26-10)
    fclose(fp);
    return 0;
}

Проверка состояния потока: конец файла и ошибки

Проверяйте состояние после операций!

• feof(FILE *stream): Проверяет флаг конца файла (после неудачной попытки чтения). Не использовать как единственное условие цикла чтения, может привести к ошибкам. Лучше проверять результат самой функции чтения.
• ferror(FILE *stream): Проверяет флаг ошибки потока (устанавливается при ошибке, сбрасывается clearerr).
• perror(const char *str): Выводит сообщение об ошибке в stderr. str + системное сообщение по errno.

Пример использования feof и ferror:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    FILE *fp;
    int c;
    fp = fopen("example_read.txt", "r");
    if (fp == NULL) {
        perror("Ошибка открытия example_read.txt"); // Используем perror при ошибке открытия
        return 1;
    }

    printf("Читаем файл:\n");
    while ((c = fgetc(fp)) != EOF) { // Корректный цикл: проверка результата fgetc
        putchar(c);
    }

    // После цикла проверяем, почему вышли
    if (feof(fp)) {
        printf("\nДостигнут конец файла (feof).\n");
    } else if (ferror(fp)) {
        perror("Ошибка чтения из файла (ferror)"); // Используем perror при ошибке чтения
    }

    fclose(fp);
    return 0;
}

Пример использования perror при ошибке открытия:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    FILE *fp;
    // Попытка открыть файл, который не существует - errno установится
    fp = fopen("non_existent_directory/non_existent_file.txt", "r");

    if (fp == NULL) {
        // perror прочитает errno и выведет системное сообщение
        perror("Ошибка открытия файла"); // "Ошибка открытия файла" - наш префикс
        return 1;
    }

    // Если открыт успешно, работаем с файлом...

    fclose(fp);
    return 0;
}

Все затаились в ожидании нового удара
А я сижу на лекции Иксанова Ильдара