APUE 學習筆記（三）：深入 Linux 文件與目錄元數據操作

APUE 讀書筆記第 3 章：文件系統元數據完整指南

前兩篇介紹了文件 I/O 基礎操作，本章聚焦文件系統為每個文件維護的元數據——即 struct stat 結構體中的屬性信息。掌握這些操作是系統級程式設計、檔案工具開發、權限管理的基石。

1. 核心 API：stat 家族

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

int stat(const char *path, struct stat *buf);   // 依路徑獲取，會展開符號鏈接
int fstat(int fd, struct stat *buf);            // 依已打開文件描述符獲取
int lstat(const char *path, struct stat *buf);  // 依路徑獲取，不展開符號鏈接

命名慣例：fun() 基礎版、ffun() 接受 fd、lfun() 不展開符號鏈接。此模式貫穿 Linux 系統調用（如 chmod/fchmod/lchmod、chown/fchown/lchown）。

2. struct stat 關鍵字段詳解

關鍵洞見：文件實際磁盤佔用看 st_blocks，而非 st_size。稀疏文件（如 lseek 跳過再寫入）st_size 可達 GB 級，但 st_blocks 僅佔幾塊。

3. 文件類型判斷（st_mode 位圖）

Linux 7 種文件類型：

• 目錄 d、字符設備 c、塊設備 b、普通文件 -、符號鏈接 l、套接字 s、管道 p

對應提取宏（S_IFMT 遮罩 + S_IFREG 等）：

struct stat info;
lstat("file.txt", &info);
if (info.st_mode & S_IFMT == S_IFREG)  // 普通文件
if (S_ISREG(info.st_mode))             // 推薦：直接用判斷宏

七個判斷宏：S_ISREG、S_ISDIR、S_ISCHR、S_ISBLK、S_ISFIFO、S_ISLNK、S_ISSOCK，傳入 st_mode 回傳 1/0。

4. 權限位詳解（st_mode 低 9 位）

三組權限：Owner（位 6-8）、Group（位 3-5）、Other（位 0-2），各含 r(4)/w(2)/x(1)。

常用提取宏：

• S_IRWXU (0700) 擁有者全權遮罩
• S_IRUSR (0400)、S_IWUSR (0200)、S_IXUSR (0100)
• Group 對應 S_IRWXG (0070)、S_IRGRP (0040)…
• Other 對應 S_IRWXO (0007)、S_IROTH (0004)…

5. 實用系統調用速查

6. 目錄遍歷兩大流派

A. glob() 模式匹配

glob_t g;
glob("/home/user/*", 0, NULL, &g);      // 非隱藏文件
glob("/home/user/.*", GLOB_APPEND, NULL, &g); // 隱藏文件（追加）
for (size_t i = 0; i < g.gl_pathc; i++) puts(g.gl_pathv[i]);
globfree(&g);

• 支援通配符、遞歸需自行實現（注意跳過 ./.. 避免循環）。
• 動態分配記憶體，用完必須 globfree()。

B. opendir/readdir/closedir 串流式

DIR *dp = opendir(path);
struct dirent *ep;
while ((ep = readdir(dp)) != NULL) {
    if (strcmp(ep->d_name, ".") == 0 || strcmp(ep->d_name, "..") == 0) continue;
    // 處理 ep->d_name
}
closedir(dp);

• 輕量、標準、適合遞歸遍歷（配合 d_type 判斷 DT_DIR）。
• telldir/seekdir 可記錄/恢復讀取位置，較少用。

7. 實戰範例：簡易 du 實現（計算目錄實際磁盤佔用）

兩種版本分別用 glob 與 readdir 實現，核心邏輯：

1. lstat 獲取 st_blocks。
2. 若為目錄，遞歸累加子項 st_blocks（除 2 換算 KB）。
3. 跳過 ./.. 防循環。

int64_t mydu(const char *path) {
    struct stat buf;
    lstat(path, &buf);
    int64_t sum = buf.st_blocks;
    if (S_ISDIR(buf.st_mode)) {
        DIR *dp = opendir(path);
        struct dirent *ep;
        char subpath[1024];
        while ((ep = readdir(dp))) {
            if (strcmp(ep->d_name, ".")==0 || strcmp(ep->d_name, "..")==0) continue;
            snprintf(subpath, sizeof(subpath), "%s/%s", path, ep->d_name);
            sum += mydu(subpath);
        }
        closedir(dp);
    }
    return sum;
}

8. UFS 文件系統結構補充

• Inode 表：存文件屬性、15 個塊指針（12 直接 + 1 一級間接 + 1 二級間接 + 1 三級間接），支援超大文件。
• 塊位圖 / Inode 位圖：加速空閒塊/Inode 查找。
• 弱點：小文件過多易耗盡 Inode 而塊仍剩餘（因 Inode 數遠少於數據塊）。

掌握文件元數據操作，是從「寫應用」進階到「寫系統工具、中間件、容器運行時」的關鍵門檻。