文件管理和IO重定向

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7种文件类型

  1. - 普通文件
  2. d 目录文件 directory
  3. b 块设备block
  4. c 字符设备 character
  5. l 符号链接文件 link
  6. p 管道文件 pipe
  7. s 套接字文件 socket

普通文件

普通文件分为三类:

  1. 纯文本文件 ASCII
    使用cat可以查看纯文本文件
  2. 二进制文件 binary
    使用od或者hexdump命令以8进制或者16进制查看
  3. 数据格式文件 data
    有些程序运行的过程中会读取某些特定格式的文件, 那些特定格式的文件可以被成为数据文件(data file). 举例来说, 我们的Linux在使用登录的时候, 都会将登录的数据记录在 /var/log/wtmp 文件内, 该文件就是一个data file, 它可以被last和who命令读取内容.

目录文件

块设备 和 字符设备

块设备是硬件设备, 以块（block, 在EXT4文件系统中, 一个block通常为4K）为单位, 应用程序通过随机访问的形式读取数据.
最常见的块设备是硬盘, 还有软盘等. 注意这些都是挂载文件系统的设备, 文件系统就像块设备的通用语言.

字符设备文件以字节流的方式进行访问，由字符设备驱动程序来实现这种特性。字符终端、串口和键盘等就是字符设备。可以顺序读取，但通常不支持随机存取。

区分块设备和字符设备最简单的方法就是看数据访问的方式, 能随机访问获取数据的是块设备, 必须按字节顺序访问的是字符设备.

符号链接文件

符号链接文件又叫软连接，软连接相当于一个快捷方式

软（symbolic 或 soft）链接

文件A和文件B的inode号码虽然不一样，但是文件A的内容是文件B的路径。读取文件A时，系统会自动将访问者导向文件B。因此，无论打开哪一个文件，最终读取的都是文件B。这时，文件A就称为文件B的”软链接”（soft link）或者”符号链接（symbolic link）。

这意味着，文件A依赖于文件B而存在，如果删除了文件B，打开文件A就会报错：”No such file or directory”。这是软链接与硬链接最大的不同：文件A指向文件B的文件名，而不是文件B的inode号码，文件B的inode”链接数”不会因此发生变化。

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ln -s filename [linkname]
  • 软链接的内容是它引用文件的路径
  • 可以对目录创建软链接
  • 可以跨分区创建软链接

硬（hard）链接

硬链接本质上就给一个文件起一个新的名称，不是符号链接，写在这里主要是为了阅读方便

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ln filename [linkname]

inode信息中有一项叫做”链接数”，记录指向该inode的文件名总数

  • 创建硬链接后，和原文件的inode还是一样的
  • 新建硬链接, inode中的”链接数” + 1
  • rm删除文件, inode中的”链接数” - 1，当”链接数”为0，才是真正删除此文件
  • 不能跨域驱动器或分区创建硬链接
  • 不支持对目录创建硬链接

管道文件 （FIFO文件）

管道文件主要用于进程间通信

管道都是一端写入、另一端读取，它们是单方向数据传输的，它们的数据都是直接在内存中传输的，管道是进程间通信的一种方式，例如父进程写，子进程读。

套接字文件

套接字用来实现两端通信，可以实现双向管道的进程间通信功能。不仅如此，套接字还能通过网络实现跨主机的进程间通信功能。

套接字需要成对才有意义，也就是分为两端，每一端都有用于读、写的文件描述符(或文件句柄)，相当于两根双向通信的管道。

套接字根据协议族的方式分为两大类：网络套接字(AF_INET类型，根据ipv4和ipv6分为inet4和inet6)和Unix Domain套接字(AF_UNIX类型)。当然，从协议族往下，套接字可细分为很多种类型，例如INET套接字可以分为TCP套接字、UDP套接字、链路层套接字、Raw套接字等等。其中网络套接字是网络编程的基础和核心。

对于单机的进程间通信，使用Unix Domain套接字比Inet套接字更好，因为Unix Domain套接字没有网络通信组件，也就是少了很多网络功能，它更加轻量级。实际上，某些语言在某些操作系统平台上实现的管道功能就是通过Unix Domain来实现的，可想而知其高效率。例如：http://blog.lujinkai.cn/archives/9.html#H2_9，nginx和PHP-FPM的进程间通信有两种方式,一种是TCP,一种是UNIX Domain Socket.其中TCP是IP加端口,可以跨服务器.而UNIX Domain Socket不经过网络,只能用于Nginx跟PHP-FPM都在同一服务器的场景，效率更高。

文件元数据

每个文件的属性信息，比如：文件的大小、时间、类型等，称为文件的元数据（meta data）

atime、mtime、ctime

每个文件都有三个时间，atime、mtime、ctime，使用stat命令可以查看。

  • atime：access time 访问时间，当使用cat命令查看文件内容时atime不改变。使用wq退出vim时修改atime，使用q!退出vim时不改变atime。使用echo往文件写内容不改变atime。使用sed -i修改文件改变atime

  • mtime：modify time 修改时间，当文件内容被修改时，mtime发生改变。

  • ctime：change time 变化时间，文件的inode被修改时，ctime发生改变。注意：只要mtime发生改变，ctime肯定也同步发生改变，如果文件较大，ctime可能会延迟几毫秒。

文件节点表结构

广义上，一个文件由三部分组成：目录项、索引节点（inode）、数据块

  • 目录项：dirent，包含文件名和索引节点号，索引节点号指向索引节点表（inode table）中对应的索引节点
  • 索引节点：inode，包含文件的元数据以及数据块指针
  • 数据块：包含文件的具体内容

inode的大小

硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分为两个区域。一个是数据区，存放文件数据；另一个是inode区（inode table），存放inode。

每个inode节点的大小，一般是128字节或256字节。inode节点的总数，在格式化时就给定，一般是每1KB或每2KB就设置一个inode。假定在一块1GB的硬盘中，每个inode节点的大小为128字节，每1KB就设置一个inode，那么inode table的大小就会达到128MB，占整块硬盘的12.8%。

inode有上图中的左边区域组成，数据块由右边区域构成。不同的文件大小，通过多层级的间接指针协同完成。

直接块指针有12个，一个块大小为4KB，所以直接指针可以保存48KB的文件

间接块指针:每个指针占用4个字节，一个块是4KB，所以可以将一个块拆分成1024个指针，那么它的存储数据1024*4KB=4MB

双重间接块指针：同理可得它可以存储的数据为1024*4MB=4GB

三级指针可以储存文件数据大小为1024*4GB=4TB

一个字节占用几个字节?

https://blog.csdn.net/IOSSHAN/article/details/88944637

目录也是文件，打开目录，实际上就是打开目录文件。

目录文件也是由目录项、inode、数据块组成。

目录的数据块中存储的是一系列目录项的列表，是其下的文件的所有目录项。每个目录项，由两部分组成：包含文件名，以及该文件名对应的inode号码。

打开一个文件分三步走

每个inode都有一个号码，操作系统用inode号码来识别不同的文件。

这里值得重复一遍，Unix/Linux系统内部不使用文件名，而使用inode号码来识别文件。对于系统来说，文件名只是inode号码便于识别的别称或者绰号。

打开一个文件分三步走：名称与inode编号关联，首先，系统找到这个文件名对应的inode号码；其次， 通过inode号找到对应的inode，获取inode信息；最后，根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。

cp和inode

  1. 分配一个空闲的inode号，在inode table中生成新条目
  2. 在目录中创建一个目录项，将名称与inode编号关联
  3. 拷贝数据生成 新的文件

rm和inode

  1. 链接数递减，当减到0，就释放inode号
  2. 把数据块放在空闲列表中
  3. 删除目录项
  4. 数据实际上不会马上被删除，但是当另一个文件使用数据块时将被覆盖

根据3， 可以得出, 删除文件实际上是修改目录的内容, 所以删除文件必须要有目录的写权限, 所以删除文件和文件的权限没有关系, 和文件的父目录的权限有关， 同理：创建文件也是这样

mv和inode

如果mv命令的目标和源在相同的文件系统

  1. 创建新的目录项，新名称对应到inode号
  2. 删除旧的目录项
  3. 修改对应inode上的元数据（时间戳），不移动数据

如果mv命令的目标和源在不同的文件系统：mv相当于 cp + rm

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# 删除大文件
[root@centos8 ~]#cat /dev/null > /var/log/huge.log

IO重定向和管道

IO的I是input，IO的O是ouput

Linux给程序提供了三种IO设备：

  • 标准输入（STDIN）0 默认接受来自终端窗口的输入
  • 标准输出（STDOUT）1 默认输出到终端窗口
  • 标准错误（STDERR）2 默认输出到终端窗口

STDOUT和STDERR可以被重定向到指定文件，而非默认的当前终端。

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命令 操作符 文件名

2>&1

这里的&类似php中表示变量引用的用法, 放在>后面的&, 表示重定向的目标不是一个文件, 而是一个文件描述符

标准错误拷贝了标准输出的行为, 注意是行为，不仅仅是路径。如果标准输出是 > a.log，那么标准错误输出也是 > a.log，如果标准输出是 >> a.log，那么标准错误输出也是 >> a.log

而&>file是一种特殊的用法, 也可以写成>&file, 二者的意思完全相同, 都等价于1>file 2>&1, 此处的&>或者>&视作整体, 不能分开

标准输入重定向 单行重定向 <

利用<可以将标准输入重定向

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[root@4710419222 test]# cat a.log 
a
# cat 如果没有指定文件, 或者指定文件为"-", 则从标准输入读取
[root@4710419222 test]# cat > b.log <a.log 
[root@4710419222 test]# cat b.log 
a
[root@4710419222 test]# echo b > b.log 
[root@4710419222 test]# cat < a.log > b.log 
[root@4710419222 test]# cat b.log 
a

多行重定向 <<终止词

这个很好理解, 类似php的长字符串<<<EOT

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[root@4710419222 test]# cat > a.log <<EOT
> 123
> 456
> 789
> EOT
[root@4710419222 test]# cat a.log 
123
456
789

管道

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命令1 | 命令2 | 命令3 | ...
  • 将命令1的STDOUT发送给命令2的STDIN, 命令2的STDOUT发送到命令3的STDIN
  • 所有命令都在当前shell进程的子进程中执行
    注意：管道符后面只能跟一个命令，如果跟多个命令，命令之间用分号间隔，那么，由于管道的右边会打开一个子进程，所以，后面的命令实际上是属于父进程的，解决办法就是用{}或者()把多个命令包裹起来，确保多个这多个命令是在同一个进程下执行
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    [root@centos8 scripts]#echo 1 2 | read x y ; echo x=$x y=$y
    x= y=
    [root@centos8 ~]#echo 1 2 | ( read x y ; echo x=$x y=$y )
    x=1 y=2
    [root@centos8 ~]#echo 1 2 | { read x y ; echo x=$x y=$y; }
    x=1 y=2
  • 组合多种工具的功能

注意: STDERR默认通过管道转发, 可利用2>&1或|&实现

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[root@4710419222 test]# ll c.log
ls: cannot access c.log: No such file or directory
# 命令1 2>&1 | 命令2
[root@4710419222 test]# ll c.log 2>&1 | tr a-z A-Z  
LS: CANNOT ACCESS C.LOG: NO SUCH FILE OR DIRECTORY
# 命令1 |& 命令2
[root@4710419222 test]# ll c.log |& tr a-z A-Z
LS: CANNOT ACCESS C.LOG: NO SUCH FILE OR DIRECTORY

重定向中的 - 符号

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# 将下载文件内容输出到标准输出, 而不保存文件
[root@centos8 ~]#wget -qO - http://www.wangxiaochun.com/testdir/hello.sh
#!/bin/bash
# ------------------------------------------
# Filename: hello.sh
# Version: 1.0
# Date: 2017/06/01
# Author: wang
# Email: 29308620@qq.com
# Website: www.wangxiaochun.com
# Description: This is the first script
# Copyright: 2017 wang
# License: GPL
# ------------------------------------------
#经典写法
echo "hello, world"
#流行写法
echo 'Hello, world!'

# 将 /home 里面的文件打包，但打包的数据不是记录到文件，而是传送到 stdout，经过管道后，将 tar - cvf - /home 传送给后面的 tar -xvf - , 后面的这个 - 则是取前一个命令的 stdout， 因此，就不需要使用临时file了
tar -cvf - /home | tar -xvf -

文件描述符（fd）

Linux中一切都是文件。文件描述符fd是内核为了高效管理已被打开的文件所创建的索引，是一个非负整数，在文件open时产生。程序刚刚启动的时候，0是标准输入，1是标准输出，2是标准错误。如果此时去打开一个新的文件，它的文件描述符会是3。

系统为每一个进程维护了一个文件描述符表，该表的值都是从0开始的，由于进程级文件描述符表的存在，不同的进程中会出现相同的文件描述符，它们可能指向同一个文件，也可能指向不同的文件。

文件操作相关命令

pwd

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# -P 显示真实的物理路径
[root@centos7 bin]# pwd
/bin
[root@centos7 bin]# pwd -P
/usr/bin

basename 和 dirname

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[root@4710419222 vhost]# pwd
/usr/local/nginx/conf/vhost
# 显示文件名
[root@4710419222 vhost]# basename `pwd` 
vhost
[root@4710419222 vhost]# basename `pwd`\/to2b.cn.conf
to2b.cn.conf
# 显示路径
[root@4710419222 vhost]# dirname $(pwd)
/usr/local/nginx/conf

cd

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# 切换至物理路径, 而非软链接目录 -P
[root@4710419222 ~]# cd -P /bin/
[root@4710419222 bin]# pwd
/usr/bin
# 切换到来时的目录 cd -

ls

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# 显示隐藏文件,但是不显示.和..
[root@47105171233 ~]# ll -A
# 按照mtime从新到旧排序
[root@4710419222 ~]# ll -t
# 按照mtime从旧到新排序
[root@4710419222 ~]# ll -tr
# 按照atime从新到旧排序
[root@4710419222 ~]# ll -ut /
# 按照从大到小排序
[root@4710419222 /]# ll -S
# 递归遍历目录下所有文件
[root@4710419222 ~]# ll -R

说明: ls 查看不同后缀文件时的颜色由 /etc/DIR_COLORS 和@LS_COLORS变量定义

stat

文件有三个时间

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[root@4710419222 ~]# stat test.php
  File: ‘test.php’
  Size: 96              Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: fd01h/64769d    Inode: 138598      Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Access: 2020-07-26 18:48:51.780437746 +0800		# 文件最近一次被访问的时间
Modify: 2020-07-25 17:21:15.970280822 +0800		# 文件内容最近一次被修改的时间
Change: 2020-07-25 17:21:15.973280860 +0800		# 文件属性最近一次被修改的时间
 Birth: -

file

判断文件的类型不能依靠后缀, 可以使用file命令判断文件的类型

hexdump

hexdump命令一般用来查看“二进制”文件的十六进制编码，但实际上它能查看任何文件，而不只限于二进制文件。

-C 输出规范的十六进制和ASCII码。

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[root@4710419222 ~]# hexdump -C test.txt       
00000000  0a                                                |.|
00000001

文件通配符 glob

文件通配符可以用来匹配符合条件的多个文件，方便批量管理文件

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 # * 匹配零个或多个字符, 但不匹配隐藏文件
[root@4710419222 ~]# ll -a *
-rw-r--r-- 1 root root        863 Oct 17  2019 clear_history.php
-rw-r--r-- 1 root root  244205697 Oct 24  2018 oneinstack-full.tar.gz
lrwxrwxrwx 1 root root         27 Jul 18  2019 python-learn -> /data/wwwroot/python-learn/
-rw-r--r-- 1 root root 1073741824 Oct 31  2018 swapfile
-rw-r--r-- 1 root root      11195 Sep 27  2019 testparm-v.txt
 # ? 匹配任何单个字符
 # [0-9]
 # [a-z] a、A、b、B...x、X、y、Y、z、Z
 # [lujinkai]
 # [^lujinkai]

此外, 还有预定义的字符类: man 7 glob

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[:digit:]：任意数字，相当于0-9
[:lower:]：任意小写字母,表示 a-z
[:upper:]: 任意大写字母,表示 A-Z
[:alpha:]: 任意大小写字母
[:alnum:]：任意数字或字母
[:blank:]：水平空白字符
[:space:]：水平或垂直空白字符
[:punct:]：标点符号
[:print:]：可打印字符
[:cntrl:]：控制（非打印）字符
[:graph:]：图形字符
[:xdigit:]：十六进制字符

ps: 批量创建文件是用{}, 批量显示文件使用[]

文件通配符(glob)和正则表达式(regex)

文件通配符就是* ? [] 这三个，正则表达式则功能强大。

对于：文件通配符中，\匹配0个或多个字符，可以单独使用。而在正则表达式中，*是匹配前面的0次或多次，前面必须由内容，不能单独使用。

对于?：和*一样，文件通配符中，?可以单独使用，正则表达式中不可以。

对于[]：文件通配符[]中的内容是按照ASCII统计的，例如[a-z]会匹配a、A、b、B…y、Y、z，而正则表达式[]中的内容是按照人类的方式统计，例如[a-z]会匹配a、b、c、d、e…x、y、z

对于.：文件通配符中.就是.，没有别的意思。正则表达式中.匹配单个字符

touch

创建空文件和刷新文件时间

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# -a 仅改变 atime和ctime
# -m 仅改变 mtime和ctime
# -t [[CC]YY]MMDDhhmm[.ss] 指定atime和mtime的时间戳
# -c 如果文件不存在，则不予创建

cp

  • -a 归档，相当于-dR –preserv=all，常用于备份功能
  • -u –update 只复制源比目标先更新文件或目标不存在的文件
  • -b 目标存在, 覆盖前先备份, 默认形式为filename~, 只保留最近一个备份
  • –backup=numbered 目标存在, 覆盖前先备份加数字后缀, 形式为filename.~#~, 可以保留多个版本

注意: 不同类型的文件不能覆盖, 例如普通文件可以覆盖普通文件, 但是不能覆盖目录

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[root@4710419222 test]# ll
drwxr-xr-x 2 root root   12288 Jul 29 15:32 test
[root@4710419222 test]# \cp -a --backup=numbered /test ./xxx 
[root@4710419222 test]# \cp -a --backup=numbered /test ./xxx 
[root@4710419222 test]# \cp -a --backup=numbered /test ./xxx 
[root@4710419222 test]# ll
drwxr-xr-x 2 root root   12288 Jul 29 15:32 test
-rw-r--r-- 1 root root      11 Jul 29 15:30 xxx
-rw-r--r-- 1 root root      11 Jul 29 15:30 xxx.~1~
-rw-r--r-- 1 root root      11 Jul 29 15:30 xxx.~2~

mv

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mv [OPTION]... [-T] SOURCE DEST	# 移动并重命名
mv [OPTION]... SOURCE... DIRECTORY	# 移动到目录
mv [OPTION]... -t DIRECTORY SOURCE... # 目的目录参数在前, 要移动的文件参数在后

mv命令可以移动和重命名文件, 同一分区移动会很快

-b 目标存在, 覆盖前先备份

但是mv命令只能一次重命名一个文件, 使用rename命令可以批量重命名文件

rename

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# rename [options] <expression> <replacement> <file>...
# 修改后缀
[root@4710419222 test]# ll
total 4
-rw-r--r-- 1 root root 18 Jul 29 19:36 a.txt
-rw-r--r-- 1 root root  0 Jul 29 19:14 b.txt
[root@4710419222 test]# rename '.txt' '.log' ./*
[root@4710419222 test]# ll
total 4
-rw-r--r-- 1 root root 18 Jul 29 19:36 a.log
-rw-r--r-- 1 root root  0 Jul 29 19:14 b.log

这个命令好像可以使用正则, 但是我试了一下, 不行, 可能是版本的问题

rm

此命令非常危险, 建议使用mv替代rm , 当删除的时候, 实际上是移动到一个特定的目录

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alias rm='DIR=/data/backup`date +%F%T`;mkdir $DIR;mv -t $DIR'

rm虽然删除了文件, 但是在安全场景要求较高的情况下, 可以使用shred安全删除文件

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[root@centos8 ~]#shred -zvun 5 passwords.txt
# -z 最后一次覆盖添加0，以隐藏覆盖操作
# -v 能够显示操作进度
# -u 覆盖后截断并删除文件
# -n 指定覆盖文件内容的次数（默认值是3次）

tree

显示目录树

df

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df [选项列表]... [文件列表]...
  • -a –all
  • -h –human-readable
  • -i –inodes 显示 inode 信息而非块使用量

关于 df 和 lsblk

lsblk 查看的是block device,也就是逻辑磁盘大小。df查看的是file system, 也就是文件系统层的磁盘大小。

显示磁盘占用情况和inode使用情况使用df。

mkdir

  • -p 目录如果不存在, 创建, 如果存在, 不报错
  • -m 创建目录时直接指定权限

rmdir

  • -p 递归删除父空目录

挂载点不能删除

tee

从标准输入读入并写往标准输出和文件

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tee [选项]... [文件列表]...

把标准输入的数据复制到文件列表中的每一个文件，同时送往标准输出。

  • -a –append 追加到给出的文件, 而不是覆盖

功能: 保存不同阶段的输出; 复杂管道的故障排除; 同时查看和记录输出

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[root@centos8 ~]#cat <<EOF | tee /etc/motd
> welcome to magedu
> happy new year
> EOF
welcome to magedu
happy new year

lsof

列出打开的文件，Linux下万物皆文件，网络也是文件。
lsof的参数巨多，下面列举常用的参数

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lsof file	# 查看文件被哪些进程占用
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lsof -i		# 列出所有的网络连接
lsof -i tcp		# 列出所有的tcp网络连接

seq

打印数列

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[root@centos8 ~]# seq 0 9
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[root@centos8 ~]# seq -s ' ' 0 9
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[root@centos8 ~]# seq -s ' ' 0 2 9
0 2 4 6 8
[root@centos8 ~]# seq -s + 1 100 | bc
5050
[root@centos8 ~]# seq -s + 1 2 100 | bc
2500

练习题

1、将/etc/issue文件中的内容转换为大写后保存至/tmp/issue.out文件中

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[root@centos7 test]# cat /etc/issue | tr 'a-z' 'A-Z' > /tmp/issue.out

2、将当前系统登录用户的信息转换为大写后保存至/tmp/who.out文件中

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[root@centos7 test]# whoami | tr 'a-z' 'A-Z' > /tmp/who.out

3、一个linux用户给root发邮件，要求邮件标题为”help”，邮件正文如下：
Hello, I am 用户名,The system version is here,please help me to check it ,thanks!
操作系统版本信息

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[root@centos8 ~]# echo -e "Hello, I am `whoami`,The system version is here,please help me to check it ,thanks! \n`cat /etc/os-release`" | mail -s hello root

4、将/root/下文件列表，显示成一行，并文件名之间用空格隔开

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[root@4710419222 /]# ls -A /root | tr '\n' ' '

5、计算1+2+3+…+99+100的总和

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[root@centos8 test]# seq -s + 1 100 | bc
5050

6、删除Windows文本文件中的回车字符 ，即“\r”

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cat a.log | tr '\r' ' '

7、处理字符串“xt.,l 1 jr#!$mn 2 c*/fe 3 uz 4”，只保留其中的数字和空格

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[root@centos8 test]# echo 'xt.,l 1 jr#!$mn 2 c*/fe 3 uz 4' | tr -dc '0-9 '
 1  2  3  4[root@centos8 test]#

8、将PATH变量每个目录显示在独立的一行

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[root@centos8 test]# echo $PATH | tr ':' '\n'

9、将指定文件中0-9分别替代成a-j

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[root@centos8 test]# cat a.log | tr '0-9' 'a-j'

10、将文件/etc/centos-release中每个单词（由字母组成）显示在独立一行，并无空行

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[root@centos8 test]# cat /etc/centos-release | tr -c "[:alpha:]" " " | tr -s " " "\n"
CentOS
Linux
release
Core

11、ls 输出的内容明明是分行的, 为什么显示出来就不分行了?

不单 ls 会这样，不少其他命令也会这样。它们会使用 isatty 函数查询输出是否指向终端，对输出到终端和非终端的处理，可能不一样

常见的比如：
1、输出到终端时，使用 color，非终端则不用；
2、输出到终端时，使用 text 方式，非终端则用 binary。

如果需要一致的输出，应当明确使用相关参数

這取決於 stdout 是不是終端。如果是終端就可以讀取終端的寬度，根據寬度排版。