「Linux 系统编程」目录项与 Inode、stat 与 lstat 函数

1. 目录项与 Inode

1.1 Inode

在 Linux 文件系统中，每个文件（或目录）都有一个对应的 inode（index node），即索引节点。inode 不包含文件的名称，而是存储文件的元数据（metadata），例如：

• 文件大小
• 设备 ID
• 文件所有者及所属组的 ID
• 文件权限（读、写、执行）
• 时间戳（创建时间、最后访问时间、最后修改时间等）
• 指向文件数据块的指针

inode 通过一个唯一的编号（inode number）来标识。可以使用 ls -i 命令查看文件的 inode 号：

ls -i test.txt

也可以使用 stat 命令直接查看文件的元数据：

stat test.txt

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1.2 目录项

目录项（dentry） 是内核用于维护文件系统目录结构的数据结构。每个目录项包含 一个文件名 和 对应的 inode 号。目录项 将可读的文件名映射到内核使用的 inode 号。

当用户打开一个文件（如 /home/user/test.txt）时，内核会遍历路径中的每个目录项，逐步解析直到找到目标文件的 inode，进而访问文件内容。

目录项和 inode 的设计使得文件系统 支持硬链接。多个目录项可以指向同一个 inode，即同一个文件可以有多个不同的路径名称。

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2. stat 函数

2.1 stat 函数原型

stat 函数是一个系统调用，用于 获取指定路径文件的元数据信息。其原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int stat(const char *pathname, struct stat *statbuf);

• pathname：目标文件的路径。
• statbuf：指向 struct stat 结构的指针，用于存储获取到的文件信息。

2.2 struct stat 结构

struct stat 包含了文件的多种元数据，例如：

struct stat {
    dev_t     st_dev;         // 设备 ID
    ino_t     st_ino;         // inode 号
    mode_t    st_mode;        // 文件类型和权限
    nlink_t   st_nlink;       // 硬链接数量
    uid_t     st_uid;         // 所有者用户 ID
    gid_t     st_gid;         // 所有者组 ID
    dev_t     st_rdev;        // 特殊设备 ID
    off_t     st_size;        // 文件大小（字节）
    blksize_t st_blksize;     // 文件系统 I/O 缓冲区大小
    blkcnt_t  st_blocks;      // 文件所占块数
    time_t    st_atime;       // 最后访问时间
    time_t    st_mtime;       // 最后修改时间
    time_t    st_ctime;       // 最后状态变更时间
};

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在 <sys/stat.h> 头文件中定义了一系列宏，用于检测 struct stat 结构中的 st_mode 字段，从而 确定文件类型。这些宏接受一个 mode_t 类型的参数（通常是 st_mode 字段），并返回一个布尔值。

文件类型相关的宏：

• S_ISREG(m) - 检测是否为普通文件
• S_ISDIR(m) - 检测是否为目录
• S_ISCHR(m) - 检测是否为字符设备文件
• S_ISBLK(m) - 检测是否为块设备文件
• S_ISFIFO(m) - 检测是否为 FIFO（命名管道）
• S_ISLNK(m) - 检测是否为符号链接
• S_ISSOCK(m) - 检测是否为套接字文件

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2.3 代码示例

例如，可以使用 stat 获取文件大小、文件类型（文件类型需要用到相关的宏）等：

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[]){
    struct stat stat_buf;
    
    if(stat(argv[1], &stat_buf) == -1){
        perror("stat error");
        return 1;
    }

    printf("File size: %lld bytes\n", (long long)stat_buf.st_size);
    
    if(S_ISLNK(stat_buf.st_mode)){
        printf("%s is a sym link\n", argv[1]);
    }

    return 0;
}

注意：如果 pathname 是一个符号链接，stat 会 跟随链接指向最终的目标文件（链接穿透），并返回目标文件的元数据。

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3. lstat 函数

3.1 lstat 函数原型

lstat 函数与 stat 类似，在处理符号链接时有所不同。函数原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int lstat(const char *pathname, struct stat *statbuf);

3.2 与 stat 的区别

当路径指向一个符号链接时：

• stat 返回 符号链接所指向的目标文件 的元数据。
• lstat 返回 符号链接文件本身 的元数据。

3.3 代码示例

以下示例比较 stat 和 lstat 对符号链接的处理：

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char* argv[]){
    struct stat stat_buf;
    struct stat lstat_buf;

    if(stat(argv[1], &stat_buf) == -1){
        perror("stat error");
        return 1;   
    }

    if(lstat(argv[1], &lstat_buf) == -1){
        perror("lstat error");
        return 1;   
    }

    printf("stat - inode number of target: %ld\n", (long)stat_buf.st_ino);
    if(S_ISLNK(stat_buf.st_mode)){
        printf("stat: %s is a sym link\n", argv[1]);
    }

    printf("lstat - inode number of link itself: %ld\n", (long)lstat_buf.st_ino);
    if(S_ISLNK(lstat_buf.st_mode)){
        printf("lstat: %s is a sym link\n", argv[1]);
    }

    return 0;
}