一、实验目的

1、熟悉Linux文件系统的文件和目录结构，掌握Linux文件系统的基本特征；
2、模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件。

二、实验环境

Ubuntu 20.10、gcc编译器

三、实验内容

1、浏览Linux系统根目录下的子目录，熟悉每个目录的文件和功能；
2、设计程序模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件。

四、实验要求

1、对文件系统命令和库函数要提前熟悉；
2、画出备份文件的过程图；
3、测试数据文件提前准备好；
4、编写程序并调试；
5、截屏输出实验结果；
6、根据实验结果与理论课讲述的原理进行实验分析。

五、实验原理实验中用到的系统调用函数（包括实验原理中介绍的和自己采用的），实验步骤

实验原理：

1、 Linux各种发行版的目录结构基本一致，各个目录简单介绍如下：

2、 Linux的文件结构是单个的树状结构.可以用tree进行展示。文件操作命令见附录1，

3、 Linux文件系统：Linux 中允许众多不同的文件系统共存，如 ext2, ext3, vfat 等。通过使用同一套文件 I/O 系统调用即可对 Linux 中的任意文件进行操作而无需考虑其所在的具体文件系统格式；更进一步，对文件的操作可以跨文件系统而执行。“一切皆是文件”是 Unix/Linux 的基本哲学之一。不仅普通的文件，目录、字符设备、块设备、套接字等在 Unix/Linux 中都是以文件被对待；它们虽然类型不同，但是对其提供的却是同一套操作界面。

4、虚拟文件系统（Virtual File System, 简称 VFS），是 Linux 内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口；同时，它也提供了内核中的一个抽象功能，允许不同的文件系统共存。系统中所有的文件系统不但依赖 VFS 共存，而且也依靠 VFS 协同工作。为了能够支持各种实际文件系统，VFS 定义了所有文件系统都支持的基本的、概念上的接口和数据结构；同时实际文件系统也提供 VFS 所期望的抽象接口和数据结构，将自身的诸如文件、目录等概念在形式上与VFS的定义保持一致。换句话说，一个实际的文件系统想要被 Linux 支持，就必须提供一个符合VFS标准的接口，才能与 VFS 协同工作。实际文件系统在统一的接口和数据结构下隐藏了具体的实现细节，所以在VFS 层和内核的其他部分看来，所有文件系统都是相同的。

5、利用C库函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose() 来实现简单的文件备份，即将一个文件的内容拷贝到另一个文件中去。

实验中用到的系统调用函数：

open(),read(),write(),close()

实验步骤：

熟悉文件系统命令：
熟悉系统调用函数open(),read(),write(),close()：
熟悉C库函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose()：
画出备份文件的过程图：
两种方法备份文件的方法都是一样的，所以下面这个流程图对这两个方法都适用：

六、实验结果分析（截屏的实验结果，与实验结果对应的实验分析）

1、实验结果与实验程序、实验步骤、实验原理、操作系统原理的对应分析；
2、不同条件下的实验结果反应的问题及原因；
3、实验结果的算法时间、效率、鲁棒性等性能分析。

浏览Linux系统根目录下的子目录，熟悉每个目录的文件和功能：

根目录下的所有文件：

/bin:

/boot:

/dev：

/etc:

/home:

/lib:

/media:

/mnt:

/opt:

/proc:

/root:
（无法访问）
/sbin:

/tmp:

/usr:

/srv:
（文件夹为空）

设计程序模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件：

备份的文件存放在目录"/home/prince/file.txt"中，文件内容如图所示：
（不放图了，因为是在新华网随便复制的一篇文章，放图上来竟然能被识别到）

分别使用系统调用函数和C库函数对这个文件进行备份，备份文件名分别为backup1.txt和backup2.txt，运行程序，结果如图所示：

打开文件backup1.txt和backup2.txt，对比里面的内容：
（也不放图了，理由同上）

七、实验数据及源代码（学生必须提交自己设计的程序源代码，并有注释，源代码电子版也一并提交），包括思考题的程序。

程序源代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
const char* source = "/home/prince/file.txt"; //需要备份的源文件路径//使用系统调用函数open(),read(),write(),close()
void backup1(){int src,dest,size;char str[128];src = open(source,O_RDONLY);dest = open("/home/prince/backup1.txt", O_WRONLY | O_CREAT); //写文件，如果文件不存在则创建if(src == -1){printf("src文件打开失败\n");return;}if(dest == -1){printf("dest文件打开失败\n");close(src);return;}while((size = read(src,str,sizeof(str)))){write(dest,str,size);}close(src);close(dest);printf("源文件file.txt已经成功备份，备份文件为backup1.txt\n");
}//使用c库函数fopen(),fread(),fwrite(),fclose()
void backup2(){char str[128];FILE *src, *dest;int size;src = fopen(source,"r");//读取源文件dest = fopen("/home/prince/backup2.txt","w");if(!src){printf("src 打开文件失败！\n");return;}if(!dest){printf("dest 打开文件失败！\n");fclose(src);return;}//循环读取内容，直到读取到文件结尾while((size = fread(str,sizeof(char),128,src))){//printf("%d %s\n",size, str);fwrite(str,sizeof(char),size,dest);}fclose(src);fclose(dest);printf("源文件file.txt已经成功备份，备份文件为backup2.txt\n");
}int main(){backup1();backup2();return 0;
}

八、思考题：

1、使用系统调用函数open(),read(),write(),close()实现简单文件备份的原理是什么？
答：
①系统调用open()函数，指定一个文件路径，则会返回一个大于0的文件描述词，如果返回值为-1代表打开文件失败。这个文件描述词可以被read()/write()和其他的系统调用函数使用。
②使用read()函数，可以向文件描述词fd对应的文件中读取size个字节的数据，并将数据存入缓冲区ptr中
③使用write()函数，可以将缓冲区ptr里前size个字节的数据写入文件描述词fd对应的文件中
④使用close()函数，可以关闭该文件，释放资源

2、使用C库函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose() 来实现简单文件备份的原理是什么？
答：
①C库函数fopen()，可以根据指定的文件路径，读取文件，并把文件保存在FILE中
②fread()函数可以在stream对应的文件中读取sizenmemb个字节的数据存入缓冲区ptr中
③fwrite()函数可以往stream对应的文件中写入缓冲区ptr中前size*nmemb个字节的数据
④fclose()函数，可以关闭指定的流，释放资源

3、上述二者的区别在哪里？
答：从功能上看，上述二者并无差别，在代码实现上也非常地相似，但是在原理上，上述二者具有以下差别：
①open(),read(),write(),close()为系统调用函数，执行的时候必须从用户模式切换到内核模式，执行完毕后，再从内核模式切换到用户模式
②fopen(),fread(),fwrite(),fclose()为C库函数，只在用户态调用和执行
③系统调用函数因为需要在用户态和内核态之间来回切换，所以非常影响系统的性能，可以在一次系统调用中尽可能多地完成工作，以达到减少系统调用次数的目的，从而减少开销。后者比前者的效率要高很多。
④前者是系统函数，不可移植，在不同的操作系统上系统调用函数是不同的，而后者是标准C库函数，是可以移植的，所以在不同的操作系统上都是相同的。

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五、实验原理实验中用到的系统调用函数（包括实验原理中介绍的和自己采用的），实验步骤

实验原理：

实验中用到的系统调用函数：

实验步骤：

六、实验结果分析（截屏的实验结果，与实验结果对应的实验分析）

浏览Linux系统根目录下的子目录，熟悉每个目录的文件和功能：

设计程序模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件：

七、实验数据及源代码（学生必须提交自己设计的程序源代码，并有注释，源代码电子版也一并提交），包括思考题的程序。

八、思考题：

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