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1.5.3　文件

实际上，支持操作系统的另一个关键概念是文件系统。如前所述，操作系统的一项主要功能是隐藏磁盘和其他I/O设备的细节特性，并提供给程序员一个良好、清晰的独立于设备的抽象文件模型。显然，创建文件、删除文件、读文件和写文件等都需要系统调用。在文件可以读取之前，必须先在磁盘上定位和打开文件，在文件读过之后应该关闭该文件，有关的系统调用则用于完成这类操作。

为了提供保存文件的地方，大多数操作系统支持目录（directory）的概念，从而可把文件分类成组。比如，学生可给所选的每个课程创建一个目录（用于保存该课程所需的程序），另设一个目录存放电子邮件，再有一个目录用于保存万维网主页。这就需要系统调用创建和删除目录、将已有的文件放入目录中、从目录中删除文件等。目录项可以是文件或者目录，这样就产生了层次结构——文件系统，如图1-14所示。

进程和文件层次都可以组织成树状结构，但这两种树状结构有不少不同之处。一般进程的树状结构层次不深（很少超过三层），而文件树状结构的层次常常多达四层、五层或更多层。进程树层次结构是暂时的，通常最多存在几分钟，而目录层次则可能存在数年之久。进程和文件在所有权及保护方面也是有区别的。典型地，只有父进程能控制和访问子进程，而在文件和目录中通常存在一种机制，使文件所有者之外的其他用户也可以访问该文件。

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目录层结构中的每一个文件都可以通过从目录的顶部，即根目录（root directory）开始的路径名（path name）来确定。绝对路径名包含了从根目录到该文件的所有目录清单，它们之间用正斜线隔开。如在图1-14中，文件CS101路径名是/Faculty/Prof.Brown/Courses/CS101。最开始的正斜线表示这是从根目录开始的绝对路径。顺便提及，在MS-DOS和Windows中，用反斜线（\）字符作为分隔符，替代了正斜线（/），这样，上面给出的文件路径会写为\Faculty\Prof.Brown\Courses\CS101。在本书中，我们一般使用路径的UNIX惯例。

在实例中，每个进程有一个工作目录（working directory），其中，路径名不以斜线开始。如在图1-14中的例子，如果/Faculty/Prof.Brown是工作目录，那么Courses/CS101与上面给定的绝对路径名表示的是同一个文件。进程可以通过使用系统调用指定新的工作目录，从而变更其工作目录。

在读写文件之前，首先要打开文件，检查其访问权限。若权限许可，系统将返回一个小整数，称作文件描述符（file descriptor），供后续操作使用。若禁止访问，系统则返回一个错误码。

在UNIX中的另一个重要概念是安装文件系统。几乎所有的个人计算机都有一个或多个光盘驱动器，可以插入CD-ROM和DVD。它们几乎都有USB接口，可以插入USB存储棒（实际是固态磁盘驱动器）。为了提供一个出色的方式处理可移动介质，UNIX允许把在CD-ROM或DVD上的文件系统接入到主文件树上。考虑图1-15a的情形。在mount调用之前，根文件系统在硬盘上，而第二个文件系统在CD-ROM上，它们是分离的和无关的。

然而，不能使用在CD-ROM上的文件系统，因为上面没有可指定的路径。UNIX不允许在路径前面加上驱动器名称或代码，那样做就完全成了设备相关类型了，这是操作系统应该消除的。代替的方法是，mount系统调用允许把在CD-ROM上的文件系统连接到程序所希望的根文件系统上。在图1-15b中，CD-ROM上的文件系统安装到了目录b上，这样就允许访问文件/b/x以及/b/y。如果当CD-ROM安装好，目录b中有任何不能访问的文件，则是因为/b指向了CD-ROM的根目录。（在开始时，不能访问这些文件似乎并不是一个严重问题：文件系统几乎总是安装在空目录上。）如果系统有多个硬盘，它们也可以都安装在单个树上。

在UNIX中，另一个重要的概念是特殊文件（special file）。提供特殊文件是为了使I/O设备看起来像文件一般。这样，就像使用系统调用读写文件一样，I/O设备也可通过同样的系统调用进行读写。有两类特殊文件：块特殊文件（block special file）和字符特殊文件（character special file）。块特殊文件指那些由可随机存取的块组成的设备，如磁盘等。比如打开一个块特殊文件，然后读第4块，程序可以直接访问设备的第4块而不必考虑存放该文件的文件系统结构。类似地，字符特殊文件用于打印机、调制解调器和其他接收或输出字符流的设备。按照惯例，特殊文件保存在/dev目录中。例如，/dev/lp是打印机（曾经称为行式打印机）。

在本节中讨论的最后一个特性既与进程有关也与文件有关：管道。管道（pipe）是一种虚文件，它可连接两个进程，如图1-16所示。如果进程A和B希望通过管道对话，它们必须提前设置该管道。当进程A想对进程B发送数据时，它把数据写到管道上，仿佛管道就是输出文件一样。进程B可以通过读该管道而得到数据，仿佛该管道就是一个输入文件一样。这样，在UNIX中两个进程之间的通信就很类似于普通文件的读写了。更为强大的是，若进程要想发现它所写入的输出文件不是真正的文件而是管道，则需要使用特殊的系统调用。文件系统是非常重要的。我们将在第6章，以及第10章和第11章中具体讨论它们。