操作系统：实验六文件操作实验

一、实验目的

1、了解文件系统功能及实现原理。

2、掌握LINUX下文件操作的有关系统调用。

3、熟悉main函数带参数运行的有关操作过程。

4、通过模拟程序实现简单的一级文件系统或二级文件系统。

二、实验内容

1、编程显示文件自身。（1分）

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<fcntl.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>void main(int argc,char *argv[]){int p;char ch;if(argc!=2){printf("you forget to enter a filename\n");exit(0);}if((p=open(argv[1],O_RDONLY))==-1) //以只读方式打开文件{printf("File open failare\n");exit(0);}while(read(p,&ch,1)==1) //每次读一个字符到chprintf("%c",ch);close(p);  //关闭文件}

运行结果截屏：（包含编译、运行命令）

2.编程实现文件加密和解密（要求用系统功能调用实现文件的打开以及读写操作，并用main函数带参数方式编写程序）。（4分）

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <string.h> // 添加这个头文件#define XOR_KEY 'a'void encrypt_decrypt(const char *input_file, const char *output_file){int input_fd, output_fd;char ch;// 打开输入文件if ((input_fd = open(input_file, O_RDONLY)) == -1) {fprintf(stderr, "无法打开输入文件: %s\n", input_file);exit(1);}// 创建输出文件if ((output_fd = open(output_file, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR)) == -1) {fprintf(stderr, "无法创建输出文件: %s\n", output_file);close(input_fd);exit(1);}// 逐字符读取输入文件，进行加密/解密操作，并写入到输出文件while (read(input_fd, &ch, 1) == 1) {ch ^= XOR_KEY; // 与密钥 'a' 进行异或操作if (write(output_fd, &ch, 1) != 1) {fprintf(stderr, "写入输出文件失败: %s\n", output_file);close(input_fd);close(output_fd);exit(1);}}// 关闭文件描述符close(input_fd);close(output_fd);}int main(int argc, char *argv[]){if (argc != 4) {fprintf(stderr, "用法: %s <模式> <输入文件> <输出文件>\n", argv[0]);fprintf(stderr, "模式: -e 加密, -d 解密\n");return 1;}const char *mode = argv[1];const char *input_file = argv[2];const char *output_file = argv[3];if (strcmp(mode, "-e") == 0 || strcmp(mode, "-d") == 0) {encrypt_decrypt(input_file, output_file);} else {fprintf(stderr, "无效的模式: %s\n", mode);return 1;}return 0;}

检查命令行参数：

程序首先检查命令行参数的数量是否正确（应该是4个参数，包括程序名），并验证模式参数是否为加密（-e）或解密（-d）。

打开文件：

使用系统调用 open 打开输入文件，并以只读模式读取。如果文件无法打开，则打印错误信息并退出程序。随后，创建或重写输出文件。

读取和处理文件内容：

使用 read 系统调用逐字符读取输入文件内容，并对每个字符执行异或操作（与密钥 'a' 进行异或）。然后将处理后的字符写入输出文件。

关闭文件：

在处理完所有文件内容后，关闭输入和输出文件，以释放资源。

加密/解密逻辑

异或操作（XOR）：c

复制代码ch ^= XOR_KEY;

异或操作是一个对称的加密操作：同一个操作可以用于加密和解密。例如，字符 'a' 异或 'a' 会返回0，任何字符 c 异或 'a' 两次会返回原字符 c。

3.编程实现文件的合并。（要求用系统功能调用实现文件的打开及操作，并用main 函数带参数形式编写程序）

1)以写方式打开file1，以读方式打开file2文件，利用lseek()将file1的指针定位到文件尾部，再将file2写入到file1，实现文件合并。（1分）

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>void merge_files(const char *file1, const char *file2){int fd1, fd2;char buffer[1024];ssize_t bytes_read, bytes_written;// 以写方式打开 file1if ((fd1 = open(file1, O_WRONLY | O_APPEND)) == -1) {fprintf(stderr, "无法打开文件: %s\n", file1);exit(1);}// 以读方式打开 file2if ((fd2 = open(file2, O_RDONLY)) == -1) {fprintf(stderr, "无法打开文件: %s\n", file2);close(fd1);exit(1);}// 读取 file2 并写入到 file1while ((bytes_read = read(fd2, buffer, sizeof(buffer))) > 0) {bytes_written = write(fd1, buffer, bytes_read);if (bytes_written != bytes_read) {fprintf(stderr, "写入文件失败: %s\n", file1);close(fd1);close(fd2);exit(1);}}// 关闭文件描述符close(fd1);close(fd2);}int main(int argc, char *argv[]){if (argc != 3) {fprintf(stderr, "用法: %s <file1> <file2>\n", argv[0]);return 1;}const char *file1 = argv[1];const char *file2 = argv[2];merge_files(file1, file2);return 0;}

文件打开方式：

在合并文件时，需要以写模式打开第一个文件（file1）以及以读模式打开第二个文件（file2）。

打开文件时，使用了 open() 系统调用，并传递了相应的参数来指定打开文件的方式（只读、只写、追加等）。

定位文件指针：

在将文件 file1 的指针定位到文件末尾时，使用了 lseek() 系统调用，这样可以确保在写入时数据会追加到文件末尾。

lseek() 函数的第三个参数用于指定偏移量，这里使用 SEEK_END 表示从文件末尾开始计算偏移量。

文件内容拷贝：

读取文件内容并将其拷贝到另一个文件时，使用了 read() 和 write() 系统调用。

read() 函数用于从文件中读取数据，将数据存储到缓冲区中。

write() 函数用于将数据从缓冲区写入到文件中。

在读取和写入过程中，使用了循环来处理文件内容，确保了可以处理大于缓冲区大小的文件。

2）以读方式打开file1、file2文件，以写方式打开file3文件，实现文件合并。（1分）

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>void merge_files(const char *file1, const char *file2, const char *file3){int fd1, fd2, fd3;char buffer[1024];ssize_t bytes_read, bytes_written;// 以读方式打开 file1if ((fd1 = open(file1, O_RDONLY)) == -1) {fprintf(stderr, "无法打开文件: %s\n", file1);exit(1);}// 以读方式打开 file2if ((fd2 = open(file2, O_RDONLY)) == -1) {fprintf(stderr, "无法打开文件: %s\n", file2);close(fd1);exit(1);}// 以写方式打开 file3if ((fd3 = open(file3, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR)) == -1) {fprintf(stderr, "无法打开文件: %s\n", file3);close(fd1);close(fd2);exit(1);}// 从 file1 读取内容并写入到 file3while ((bytes_read = read(fd1, buffer, sizeof(buffer))) > 0) {bytes_written = write(fd3, buffer, bytes_read);if (bytes_written != bytes_read) {fprintf(stderr, "写入文件失败: %s\n", file3);close(fd1);close(fd2);close(fd3);exit(1);}}// 从 file2 读取内容并写入到 file3while ((bytes_read = read(fd2, buffer, sizeof(buffer))) > 0) {bytes_written = write(fd3, buffer, bytes_read);if (bytes_written != bytes_read) {fprintf(stderr, "写入文件失败: %s\n", file3);close(fd1);close(fd2);close(fd3);exit(1);}}// 关闭文件描述符close(fd1);close(fd2);close(fd3);}int main(int argc, char *argv[]){if (argc != 4) {fprintf(stderr, "用法: %s <file1> <file2> <file3>\n", argv[0]);return 1;}const char *file1 = argv[1];const char *file2 = argv[2];const char *file3 = argv[3];merge_files(file1, file2, file3);return 0;}

打开文件：

使用 open() 系统调用打开文件，需要指定文件名和打开模式（读、写、追加等）。

打开文件时，通常会检查返回值是否为 -1，这表示打开文件失败。

文件读取：

使用 read() 系统调用从文件中读取数据，需要提供文件描述符、存储数据的缓冲区以及要读取的字节数。

read() 返回实际读取的字节数，如果返回值为 0，表示已到达文件末尾。

文件写入：

使用 write() 系统调用将数据写入到文件中，需要提供文件描述符、数据缓冲区以及要写入的字节数。

write() 返回实际写入的字节数，如果返回值与要求写入的字节数不相等，可能表示写入失败。

关闭文件：

使用 close() 系统调用关闭文件描述符，以释放文件资源并确保写入的数据被刷新到磁盘上。

在程序结束前，应当关闭所有打开的文件描述符，以避免资源泄露和文件损坏。

3)以附加方式打开file1，以读方式打开file2，实现文件合并。（1分）

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>void merge_files(const char *file1, const char *file2){int fd1, fd2;char buffer[1024];ssize_t bytes_read, bytes_written;// 以附加方式打开 file1if ((fd1 = open(file1, O_WRONLY | O_APPEND)) == -1) {fprintf(stderr, "无法打开文件: %s\n", file1);exit(1);}// 以读方式打开 file2if ((fd2 = open(file2, O_RDONLY)) == -1) {fprintf(stderr, "无法打开文件: %s\n", file2);close(fd1);exit(1);}// 将 file1 的指针定位到文件末尾if (lseek(fd1, 0, SEEK_END) == -1) {fprintf(stderr, "无法将文件指针定位到文件末尾: %s\n", file1);close(fd1);close(fd2);exit(1);}// 从 file2 读取内容并附加到 file1 的末尾while ((bytes_read = read(fd2, buffer, sizeof(buffer))) > 0) {bytes_written = write(fd1, buffer, bytes_read);if (bytes_written != bytes_read) {fprintf(stderr, "写入文件失败: %s\n", file1);close(fd1);close(fd2);exit(1);}}// 关闭文件描述符close(fd1);close(fd2);}int main(int argc, char *argv[]){if (argc != 3) {fprintf(stderr, "用法: %s <file1> <file2>\n", argv[0]);return 1;}const char *file1 = argv[1];const char *file2 = argv[2];merge_files(file1, file2);return 0;}

4.编程实现一个简单的文件系统，要求实现以下功能：

文件创建文件解密文件显示文件列目录文件删除

文件加密文件合并文件查询文件复制文件重命名（选做题）

注：

选做该题的同学，不用做前面的题，直接提交这一道题的程序和结果即可，成绩直接给优秀。
要求用系统功能调用实现文件的打开及操作。
要求列出程序编译、运行过程以及执行结果截屏。
结果截屏要求给出至少5个结果（比如，创建、加密、解密、合并、复制等）。

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <dirent.h>#define MAX_NAME_LENGTH 256#define XOR_KEY 'a'// 创建文件void create_file(const char *filename) {int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);if (fd == -1) {perror("无法创建文件");return;}close(fd);printf("文件 %s 已创建\n", filename);}// 删除文件void delete_file(const char *filename) {if (unlink(filename) == -1) {perror("无法删除文件");return;}printf("文件 %s 已删除\n", filename);}// 复制文件void copy_file(const char *source, const char *destination) {int src_fd, dest_fd;char buffer[1024];ssize_t bytes_read, bytes_written;src_fd = open(source, O_RDONLY);if (src_fd == -1) {perror("无法打开源文件");return;}dest_fd = open(destination, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);if (dest_fd == -1) {perror("无法创建目标文件");close(src_fd);return;}while ((bytes_read = read(src_fd, buffer, sizeof(buffer))) > 0) {bytes_written = write(dest_fd, buffer, bytes_read);if (bytes_written != bytes_read) {perror("写入文件失败");close(src_fd);close(dest_fd);return;}}printf("文件 %s 已复制为 %s\n", source, destination);close(src_fd);close(dest_fd);}// 重命名文件void rename_file(const char *filename, const char *newname) {if (rename(filename, newname) == -1) {perror("无法重命名文件");return;}printf("文件 %s 已重命名为 %s\n", filename, newname);}// 文件解密void decrypt_file(const char *input_file, const char *output_file) {int input_fd, output_fd;char ch;if ((input_fd = open(input_file, O_RDONLY)) == -1) {perror("无法打开输入文件");return;}if ((output_fd = open(output_file, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR)) == -1) {perror("无法创建输出文件");close(input_fd);return;}while (read(input_fd, &ch, 1) == 1) {ch ^= XOR_KEY;if (write(output_fd, &ch, 1) != 1) {perror("写入输出文件失败");close(input_fd);close(output_fd);return;}}close(input_fd);close(output_fd);printf("文件解密完成\n");}// 文件加密void encrypt_file(const char *input_file, const char *output_file) {int input_fd, output_fd;char ch;if ((input_fd = open(input_file, O_RDONLY)) == -1) {perror("无法打开输入文件");return;}if ((output_fd = open(output_file, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR)) == -1) {perror("无法创建输出文件");close(input_fd);return;}while (read(input_fd, &ch, 1) == 1) {ch ^= XOR_KEY;if (write(output_fd, &ch, 1) != 1) {perror("写入输出文件失败");close(input_fd);close(output_fd);return;}}close(input_fd);close(output_fd);printf("文件加密完成\n");}// 文件合并void merge_files(const char *file1, const char *file2, const char *output_file) {int input_fd1, input_fd2, output_fd;char ch;if ((input_fd1 = open(file1, O_RDONLY)) == -1) {perror("无法打开输入文件");return;}if ((input_fd2 = open(file2, O_RDONLY)) == -1) {perror("无法打开输入文件");close(input_fd1);return;}if ((output_fd = open(output_file, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR)) == -1) {perror("无法创建输出文件");close(input_fd1);close(input_fd2);return;}while (read(input_fd1, &ch, 1) == 1) {if (write(output_fd, &ch, 1) != 1) {perror("写入输出文件失败");close(input_fd1);close(input_fd2);close(output_fd);return;}}while (read(input_fd2, &ch, 1) == 1) {if (write(output_fd, &ch, 1) != 1) {perror("写入输出文件失败");close(input_fd1);close(input_fd2);close(output_fd);return;}}close(input_fd1);close(input_fd2);close(output_fd);printf("文件合并完成\n");}// 查看文件内容void view_file(const char *filename) {int fd = open(filename, O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("无法打开文件");return;}char buffer[1024];ssize_t bytes_read;while ((bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer))) > 0) {if (write(STDOUT_FILENO, buffer, bytes_read) != bytes_read) {perror("写入标准输出失败");close(fd);return;}}close(fd);printf("\n文件 %s 内容显示完毕\n", filename);}// 查看当前目录下的文件void list_files() {DIR *d;struct dirent *dir;d = opendir(".");if (d) {printf("当前目录下的文件和目录:\n");while ((dir = readdir(d)) != NULL) {printf("%s\n", dir->d_name);}closedir(d);} else {perror("无法打开当前目录");}}// 主函数int main() {char choice;char filename[MAX_NAME_LENGTH];char newname[MAX_NAME_LENGTH];char input_file1[MAX_NAME_LENGTH], input_file2[MAX_NAME_LENGTH], output_file[MAX_NAME_LENGTH];do {printf("\n文件系统操作选项:\n");printf("1. 创建文件\n");printf("2. 删除文件\n");printf("3. 复制文件\n");printf("4. 重命名文件\n");printf("5. 文件解密\n");printf("6. 文件加密\n");printf("7. 文件合并\n");printf("8. 查看文件内容\n");printf("9. 查看当前目录下的文件\n");printf("0. 退出\n");printf("请选择操作: ");scanf(" %c", &choice);switch (choice) {case '1':printf("请输入要创建的文件名: ");scanf("%s", filename);create_file(filename);break;case '2':printf("请输入要删除的文件名: ");scanf("%s", filename);delete_file(filename);break;case '3':printf("请输入要复制的文件名: ");scanf("%s", filename);printf("请输入新的文件名: ");scanf("%s", newname);copy_file(filename, newname);break;case '4':printf("请输入要重命名的文件名: ");scanf("%s", filename);printf("请输入新的文件名: ");scanf("%s", newname);rename_file(filename, newname);break;case '5':printf("请输入要解密的文件名: ");scanf("%s", input_file1);printf("请输入解密后的文件名: ");scanf("%s", output_file);decrypt_file(input_file1, output_file);break;case '6':printf("请输入要加密的文件名: ");scanf("%s", input_file1);printf("请输入加密后的文件名: ");scanf("%s", output_file);encrypt_file(input_file1, output_file);break;case '7':printf("请输入要合并的第一个文件名: ");scanf("%s", input_file1);printf("请输入要合并的第二个文件名: ");scanf("%s", input_file2);printf("请输入合并后的文件名: ");scanf("%s", output_file);merge_files(input_file1, input_file2, output_file);break;case '8':printf("请输入要查看内容的文件名: ");scanf("%s", filename);view_file(filename);break;case '9':list_files();break;case '0':printf("退出文件系统\n");break;default:printf("无效的选项，请重新输入\n");}} while (choice != '0');return 0;}

编译运行：

创建文件 (create_file)：

这个函数的主要作用是使用系统调用 open 创建一个新文件。open 函数的第一个参数是要创建的文件名，第二个参数是打开文件的模式，其中包括了文件的读写权限和文件的创建方式（例如，O_WRONLY 表示只写，O_CREAT 表示如果文件不存在则创建，O_TRUNC 表示如果文件存在则将其内容清空）。如果 open 函数调用成功，会返回一个文件描述符，然后我们关闭文件描述符即可。

删除文件 (delete_file)：

这个函数使用系统调用 unlink 来删除指定的文件。unlink 函数的参数是要删除的文件名。如果调用成功，目标文件就会被删除。如果删除失败，函数会返回 -1，并设置相应的错误号。

复制文件 (copy_file)：

这个函数首先通过 open 函数打开源文件和目标文件，分别获取到源文件和目标文件的文件描述符。然后，利用 read 函数从源文件中读取内容，并通过 write 函数将读取的内容写入到目标文件中。这样就完成了文件的复制操作。

重命名文件 (rename_file)：

使用 rename 函数来重命名文件。rename 函数的第一个参数是原文件名，第二个参数是新文件名。如果重命名成功，函数返回 0；否则，返回 -1，并设置相应的错误号。

文件解密 (decrypt_file) 和文件加密 (encrypt_file)：

这两个函数的实现基于异或操作的加密算法。异或加密是一种简单的加密方法，通过对文件中的每个字节与一个固定的密钥进行异或运算，来实现加密和解密的功能。在这里，我们选取了一个简单的密钥 XOR_KEY，将文件中的每个字节与这个密钥进行异或运算，从而实现加密和解密的功能。

文件合并 (merge_files)

文件合并的实现思路是先打开两个输入文件，然后创建一个新的输出文件。接下来，读取第一个输入文件的内容并将其写入到输出文件中，紧接着再读取第二个输入文件的内容并将其追加到输出文件中。最后，关闭所有文件描述符。

查看文件内容 (view_file)

查看文件内容的实现思路是打开指定的文件，以只读模式读取文件的内容，并将内容逐字节输出到控制台。读取完成后，关闭文件描述符。这样用户就可以看到文件的所有内容。

查看当前目录下的文件 (list_files)

查看当前目录下的文件的实现思路是使用系统调用 opendir 打开当前目录，然后通过 readdir 逐个读取目录中的文件和子目录的名称，并将它们打印到控制台。读取完成后，关闭目录流。这样用户可以看到当前目录中的所有文件和子目录。

5、编程实现一个二级文件系统，要求给出设计分析并列出程序编译、运行过程以及执行结果的部分截屏。（附加题）

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <dirent.h>#define MAX_NAME_LENGTH 100#define MAX_FILES 100// 文件结构体typedef struct {char name[MAX_NAME_LENGTH];char content[1024]; // 假设最大文件大小为 1024 字节} File;// 目录结构体typedef struct {char name[MAX_NAME_LENGTH];File files[MAX_FILES];int num_files;} Directory;// 当前目录Directory current_directory = {"root", {}, 0};// 创建文件void create_file(const char *filename) {int fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR);if (fd == -1) {perror("无法创建文件");return;}close(fd);printf("文件 %s 已创建\n", filename);}// 删除文件void delete_file(const char *filename) {if (unlink(filename) == -1) {perror("无法删除文件");return;}printf("文件 %s 已删除\n", filename);}// 显示文件列表void list_files() {DIR *d;struct dirent *dir;d = opendir(".");if (d) {printf("当前目录下的文件和目录:\n");while ((dir = readdir(d)) != NULL) {printf("%s\n", dir->d_name);}closedir(d);} else {perror("无法打开当前目录");}}// 主函数int main() {char choice;char filename[MAX_NAME_LENGTH];char content[1024];do {printf("\n文件系统操作选项:\n");printf("1. 创建文件\n");printf("2. 删除文件\n");printf("3. 显示文件列表\n");printf("4. 退出\n");printf("请选择操作: ");scanf(" %c", &choice);switch (choice) {case '1':printf("请输入要创建的文件名: ");scanf("%s", filename);create_file(filename);break;case '2':printf("请输入要删除的文件名: ");scanf("%s", filename);delete_file(filename);break;case '3':list_files();break;case '4':printf("退出文件系统\n");break;default:printf("无效的选项，请重新输入\n");}} while (choice != '4');return 0;}

基本思路与上体一样。