pwd命令的作用
Linux的檔案系統比較龐大，所以筆者從pwd這一命令入手，在實現的過程中加深對檔案系統的瞭解。
輸入：man pwd
從指導文件中可以看到，pwd命令的作用是顯示出當前所處位置，以路徑的形式列印出來。
舉例如下：
筆者首先輸入pwd命令，顯示出/home/lularible，說明我當前就處在該位置。
當筆者進入其中的一個子目錄"bin"時，再次輸入pwd命令，顯示出/home/lularible/bin，這是顯而易見的。
Linux檔案系統內部結構
為了能夠實現pwd命令，就需要先了解Linux檔案系統的內部結構
檔案系統的多層抽象
一般而言，檔案是儲存在硬碟上的，那麼將磁碟這一物理實體，進行邏輯劃分和組織，就是進行抽象的過程。目的就是為了便於管理。
最樸素的管理手段就是，給硬碟的區域編號，按照編號從低到高給檔案分配儲存空間。當然，訪問效率就可想而知了（當檔案數量一多，訪問效率將會及其低下）。所以那些系統開發人員就發揮出自己的聰明才智，對檔案系統進行了巧妙的設計。
第一層抽象：從磁碟到分割槽
一整塊磁碟，能儲存大量的資料，統一管理起來不太方便。若能將它分而治之，則更加靈活。比如說window系統裡面的磁碟分割槽：C盤，D盤，E盤等等。每個分割槽都可以看作是一個獨立的磁碟。
第二層抽象：從磁碟到塊序列
一個磁碟由一些磁性碟片組成。每個碟片的表面都被劃分為很多同心圓，這些同心圓稱作磁軌，每一個磁軌又進一步被劃分為扇區，每個扇區可以儲存一定位元組的資料（如512位元組）。扇區是磁碟上的基本儲存單元，每次空間分配或者訪問都是以一個扇區為最小單位。
第三層抽象：從塊序列到三個區域的劃分
為了儲存不同型別的資料（檔案內容、檔案屬性、目錄），將磁碟塊分為3個部分：
- 1.超級塊：檔案系統中的第一個塊被稱為超級塊，用來存放檔案系統本身的結構資訊。
- 2.i-節點表：檔案系統的下一個部分被稱為i-節點表。每個檔案都有一些屬性，如大小、檔案所有者和最近修改時間等。這些性質被記錄在一個稱為i-節點的結構中。所有的i-節點都有相同的大小，並且i-節點表是這些結構的一個列表。
- 3.資料區：檔案系統的第三部分是資料區。檔案的內容儲存在這個區域。
建立一個檔案的過程
檔案有內容和屬性，核心將檔案內容存放在資料區，檔案屬性存放在i-節點，檔名存放在目錄。下圖所示為建立一個檔案的例子：
其中的幾個主要操作為：
- 1.儲存屬性：核心找到一個空的i-節點（圖中為47），把檔案資訊記錄到該i-節點中。
- 2.儲存資料：核心從空閒磁碟塊表中獲得627、200、992這三個磁碟塊，將核心緩衝區中的資料複製到這三個磁碟塊中。
- 3.記錄分配情況：檔案內容按序存放在磁碟塊627/200/992中。核心在i-節點的磁碟分佈區記錄了上述序列塊。磁碟分佈區是一個磁碟塊序號的列表，這三個編號放在最開始的三個位置。
- 4.新增檔名到目錄：新檔案的名字是userlist。核心將入口（47,userlist）新增到目錄檔案。檔名和i-節點號之間的對應關係將檔名和檔案的內容及屬性連線了起來。
目錄的結構
目錄被抽象為一個包含i-節點號和檔名的表。
輸入ls -ia可以檢視當前目錄包含的檔案以及對應的i-節點號：
如代表當前目錄的"."的i-節點號為1048600，代表上一級目錄的".."的i-節點號為936372。再看一下根目錄的組成：
其中"."和".."的i-節點號都是2，說明根目錄的上級目錄就是自己。另外，還可以看到存在i-節點號一樣的檔案（目錄），這就是硬連結，將在後續的軟、硬連結區別一節中敘述。
檔案讀取的工作原理
既然知道了目錄的結構，那麼就可以理一遍檔案讀取的過程了。舉例來說：
輸入cat userlist，表示讀取userlist這個檔案並顯示。
step1.在目錄中尋找檔名
檔名儲存在目錄檔案中，核心在目錄檔案中尋找包含字串"userlist"的記錄。userlist所在的記錄包含編號為47的i-節點。
step2.定位i-節點並讀取內容
核心在檔案系統中的i-節點區域找到i-節點47。i-節點包含資料塊編號的列表。
step3.訪問儲存檔案內容的資料塊
在step2之後，即知道了資料塊的位置和在磁碟中的順序，就可以通過不停的呼叫read函式，使核心不斷將位元組從磁碟複製到核心緩衝區。
ps:讀取許可權的控制：核心根據檔名找到i-節點號，再根據i-節點號找到i-節點。在i-節點中，找到檔案的許可權位和使用者ID，從而判斷該使用者是否具有讀取許可權。
大檔案的i-節點
每個檔案對應一個i-節點，而每個i-節點大小是固定的，所以當檔案內容需要佔用很多磁碟塊時，i-節點中的磁碟分佈區可能不夠用。這個時候，就需要採用多級分配的方式。一圖說明問題：
其中，級數越多，訪問磁碟時就越慢。因為需要按照每一級的指引，多次讀取磁碟。
實現pwd
思路
- 1.獲得當前目錄的i-節點號，記為stat
- 2.改變目錄至上級目錄
- 3.找到i-節點號stat的名字
重複上述步驟，直到樹頂。到樹頂的判斷依據：一個目錄的"."和".."的i-節點號相同。
原始碼
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<dirent.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
ino_t get_inode(char*);
void printpathto(ino_t);
void inum_to_name(ino_t,char*,int);
int main()
{
printpathto(get_inode(".")); //列印當前位置（檔案路徑）
putchar('\n');
return 0;
}
void printpathto(ino_t this_inode)
{
ino_t my_inode;
char its_name[BUFSIZ];
if(get_inode("..") != this_inode)
{
chdir(".."); //往上一級
inum_to_name(this_inode,its_name,BUFSIZ); //獲得i-節點號對應的檔名
my_inode = get_inode("."); //獲得當前目錄節點號
printpathto(my_inode); //遞迴列印
printf("/%s",its_name); //列印檔名
}
}
//獲得i-節點號對應的檔名
void inum_to_name(ino_t inode_to_find,char* namebuf,int buflen)
{
DIR* dir_ptr;
struct dirent* direntp;
dir_ptr = opendir(".");
if(dir_ptr == NULL){
perror(".");
exit(1);
}
while((direntp = readdir(dir_ptr)) != NULL){
if(direntp->d_ino == inode_to_find){
strncpy(namebuf,direntp->d_name,buflen);
namebuf[buflen-1] = '\0';
closedir(dir_ptr);
return;
}
}
fprintf(stderr,"error looking for inum %ld\n",inode_to_find);
exit(1);
}
//獲得檔名對應的i-節點號
ino_t get_inode(char* fname)
{
struct stat info;
if(stat(fname,&info) == -1){
fprintf(stderr,"Cannot stat");
perror(fname);
exit(1);
}
return info.st_ino;
}
當pwd01命令執行在裝載檔案系統中時，可能會出現與原版pwd不同的結果。（裝載檔案系統是指將它嵌入到已有的系統以獲得某些支援，子樹的根目錄被嵌入到根檔案系統的一個目錄中，子樹所在的目錄被稱為第二個系統的裝載點。）依據pwd01命令的實現邏輯，當遇到當前目錄和上級目錄i-節點號一樣時，就停止上溯，實際上可能只是到達了一個被裝載的檔案系統的頂端，而非整個檔案系統的頂端。
硬連結和軟連結（符號連結）
假設多個檔名通過硬連結的方式指向同一個檔案，那麼它們擁有同一個i-節點，系統會記錄連結數。如果刪除其中的一個檔案，則會將連結數減一，直到連結數為0時，才會真正刪除檔案。
而建立原檔案的軟連結，則其i-節點號與原檔案的不同，並且連結數、修改時間和檔案大小都不同於原始檔案。若原始檔案被刪除或者位置變動或者被改名，那麼軟連結將指向空。這種思想有點類似於window中的快捷方式。
參考資料
《Understanding Unix/Linux Programming A Guide to Theory and Practice》
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