第 23 章...

Unix 文件系统 (The Unix Filesystem)

• 什么是文件?
• 文件的类型
• 目录与子目录
• 特殊文件
• 用于硬件的特殊文件
• 用于终端的特殊文件: tty
• 用于伪设备的特殊文件
• 命名管道: mkfifo
• Proc 文件
• 树形文件系统;文件系统层次标准
• 根目录;子目录
• 挂载文件系统: mount, umount
• 根目录巡礼
• /usr 目录巡礼
• 为什么存放程序的目录不止一个?
• 主目录
• 虚拟文件系统
• 练习

在下面的三章里,我们将讨论 Unix 文件系统,也就是 操作系统中为你和你的程序服务的那一部分:它负责存储 并组织你系统上的所有数据。本章先讲基本概念, 随后在第 24 章讨论目录的具体用法, 在第 25 章讨论文件的具体用法。

本章的目标是回答三个关键问题。第一,什么是 Unix 文件?不难想象,文件可以是存放在磁盘上的数据仓库。 但你会看到,它的含义远不止于此。第二个问题关乎组织 方式。一台 Unix 系统上常常有几十万个文件,如何才能把 这么多条目组织得井井有条、易于理解?最后,一个统一 的系统怎么可能透明地支持许多不同类型的数据存储设备?

我们的讨论从一个简单的问题开始,它的答案却复杂得 令人吃惊:什么是文件?

什么是文件?(What Is a File?)

在还没有计算机的旧时代,“文件”一词指的是一摞纸张。 通常,文件放在硬纸板文件夹里,再加以整理,存进档案 柜。如今,大多数数据都已计算机化,文件的定义也随之 改变。从最简单的意义上说,文件就是被起了名字的一堆 数据(*)。多数情况下,文件存放在数字媒体上:硬盘、 CD、DVD、软盘、U 盘、存储卡等等。

在 Unix 内部,文件的定义要宽泛得多。文件(FILE)是 任何有名字、可以从中读取数据的来源;也是任何有名字、 可以往里写入数据的去向。因此,当你使用 Unix 或 Linux 时,“文件”不仅指磁盘文件这类数据仓库,还指任何物理 设备。例如,键盘可以作为文件来访问(一个输入来源), 显示器同样如此(一个输出去向)。还有一些文件毫无实体 形态,却能接受输入或产生输出,以提供特定的服务。

以如此通用的方式定义文件,其重要性怎么强调都不为过: 这意味着 Unix 程序可以用简单的过程从任何输入来源读取 数据,并向任何输出去向写入数据。例如,大多数 Unix 程序被设计成从标准输入读取、向标准输出写入(见第 18 章和第 19 章)。从程序员的角度看,I/O(输入/输出)很 容易实现,因为无论数据实际来自何处、去往何处,读写 数据都能以简单而标准的方式完成。从用户的角度看,则 拥有极大的灵活性,因为他可以在运行程序的当下指定输入 来源和输出去向。

可以想见,Unix 文件系统——或任何文件系统——的内部 细节是复杂的。本章我们只讲基本概念,等你读完,就会 发现 Unix 文件系统是一种令人着迷的精美之物:这种美 只存在于一切都说得通的复杂系统之中。

文件的类型(Types of Files)

Unix 文件有很多种类型,但都归入三大类:普通文件、 目录和伪文件。在伪文件之中,最常见的又有三种:特殊 文件、命名管道和 Proc 文件。本节我们先快速浏览一番 这些最重要的文件类型,后面的各节再分别详细讨论每一 种文件。

普通文件(ORDINARY FILE)或规则文件(REGULAR FILE) 就是大多数人听到“文件”一词时所想到的东西。普通文件 存有数据,驻留在某类存储设备上,例如硬盘、CD、DVD、 U 盘、存储卡或软盘。因此,普通文件是你平时打交道最 多的文件类型。例如,当你用文本编辑器写一个 Shell 脚本时,这个 Shell 脚本和编辑器程序本身都存放在普通 文件里。

如我们在第 19 章所讨论的,粗略地说,普通文件分为两 类:文本文件和二进制文件。文本文件包含一行行可打印 字符组成的数据(字母、数字、标点符号、空格、制表 符),每行末尾有一个换行字符。文本文件用来存放文本 数据:纯数据、Shell 脚本、源程序、配置文件、HTML 文件等等。

二进制文件包含非文本数据,这类数据只有被执行或被某个 程序解释时才有意义。常见的例子有可执行程序、目标文 件、图像、音乐文件、视频文件、文字处理文档、电子表 格、数据库等等。例如,文本编辑器程序本身是一个二进制 文件,而你所编辑的那个文件是文本文件。

由于你遇到的文件几乎都是普通文件,掌握基本的文件操作 技能至关重要。具体来说,你必须学会如何创建、复制、 移动、重命名和删除这类文件。我们将在第 25 章详细 讨论这些主题。

第二种文件类型是目录(DIRECTORY)。与普通文件一样, 目录也驻留在某类存储设备上。然而目录不存放常规数据, 它们用于组织并访问其他文件。从概念上说,目录“包含” 其他文件。例如,你可能有一个名为 vacation 的 目录,里面存放着你即将前往 Syldavia 旅行所需的全部 文件。

目录还可以包含其他目录。这让你能够把文件组织成一个 层次化的系统。你在本章后面会看到,整个 Unix 文件系统 就是按一棵巨大的层次树组织的,目录套着目录,目录里再 套目录。在这棵树中属于你的那部分里,你可以随心所欲地 创建和删除目录。这样,你就能按自己的意愿组织文件,并 随需求的变化而调整。

(你还记得吗,在第 9 章讨论 Info 系统时,我们谈到过 树。严格地说,树(TREE)是一种数据结构,由节点、叶和 分支组成的集合,其组织方式保证任意两个节点之间至多有 一条分支。)

你有时会看到用“文件夹(FOLDER)”来代替“目录”一词, 尤其在图形用户界面工具中。这种说法来自 Windows 和 Macintosh 世界,因为这两个系统都用文件夹来组织文件。 Windows 的文件夹很像 Unix 的目录,但没有那么强大。 Macintosh 的文件夹则就是 Unix 的目录,因为 Mac 的操作系统 OS X 是运行在 Unix 之上的(见 第 2 章)。

最后一种文件类型是伪文件(PSEUDO FILE)。与普通文件 和目录不同,伪文件不用于存放数据。因此,伪文件本身 不占任何空间,尽管它们被视为文件系统的一部分,并且 同样被组织在目录之中。伪文件的用途是提供一种服务, 而访问这种服务的方式与访问常规文件的方式相同。多数 情况下,伪文件用来访问由内核——操作系统的核心部分 ——提供的服务(见第 2 章)。

最重要的一类伪文件是特殊文件(SPECIAL FILE),有时 称为设备文件(DEVICE FILE)。特殊文件是物理设备的 内部表示。例如,你的键盘、显示器、打印机、磁盘驱动 器,实际上你计算机里的或网络上的每一台设备——都可以 作为特殊文件来访问。

下一种伪文件是命名管道(NAMED PIPE)。命名管道是我们 在第 15 章讨论过的管道机制的延伸,因此它能把一个程序 的输出接到另一个程序的输入。

最后,Proc 文件让你可以访问内核内部的信息。在少数 特定情形下,你甚至能用 Proc 文件修改内核里的数据。 (显然,这只有非常内行的人才该做。)最初创建这些文件 是为了提供进程运行时信息,因此得名“proc”。

目录与子目录(Directories and Subdirectories)

我们用目录把文件组织成一个层次化的树状系统。为此, 我们把文件收集成一个个组,每个组存放在自己的目录里。 由于目录本身也是文件,一个目录就能包含其他目录,层次 由此形成。

举个例子。你是西海岸一所声望很高的大学的学生,本学期 选了三门课——历史、文学和冲浪——每门课都写了不少 论文。为了把这一切作业组织好,你建了一个叫 essays 的目录(暂时别管具体怎么做)。在这个 目录里,你又建了三个目录:history、 literature 和 surfing,用来存放论文。 每篇论文都存在一个文本文件里,文件名字起得很贴切。 Figure 23-1 展示了这整个结构的样子。注意,这张图 看上去像一棵倒过来的树。

	Figure 23-1. 用目录组织文件的例子 为了组织文件,我们使用父目录和子目录, 构成一棵层次树。在这个例子中,父目录 essays 包含三个子目录——history、 literature 和 surfing——每个子目录 里都含有普通文件。细节见正文。

父目录(PARENT DIRECTORY)是包含其他目录的目录。子 目录(SUBDIRECTORY)或子级目录(CHILD DIRECTORY)是位于 另一个目录之内的目录。在 Figure 23-1 中, essays 是父目录,它包含三个子目录: history、literature 和 surfing。

人们常常像目录真的装着其他文件那样谈论它们。例如,我们 可能说 essays 里有三个子目录,literature 里有四个普通文件。你甚至会想,如果能往 literature 目录里面瞧一瞧,就会真的看到那四个文件。实际上,所有 文件都是作为彼此独立的实体存放的。目录并不持有文件本身, 它只包含 Unix 用来定位文件所需的信息。

不过,你无需操心这些细节,因为 Unix 会自动维护整个 文件系统的内部运作。你要做的只是学会使用相应的程序, Unix 就会替你完成一切:创建目录、删除目录、移动目录、 列出目录内容等等。我们将在第 24 章介绍这些程序。

特殊文件(Special Files)

特殊文件是表示物理设备的伪文件。Unix 把所有特殊文件 存放在 /dev(device,设备)目录里。(名字开头 的那个斜杠,我们稍后在本章再讲。)要显示你系统上特殊 文件的名字,可以像下面这样使用 ls 程序 (第 24 章):

ls /dev | less

你会看到许多名字,其中绝大多数你用不上。这是因为特殊 文件大多由系统程序使用,而不是由用户使用。不过,仍有 几个特殊文件值得一知。我把这些文件列在 Figure 23-2 中,并将分三组来讨论:硬件、终端和 伪设备。

Figure 23-2: 最值得关注的特殊文件

特殊文件是用来表示设备的伪文件,主要由系统程序 使用。虽然你很少会直接使用特殊文件,但有几个了解 一下颇有好处。细节见正文。

如果你想弄明白其他特殊文件的名字,有一份官方的总清单 可以帮你。要找到这份清单,请在网上搜索 “LANANA Linux Device List”。(LANANA 是 “Linux Assigned Names and Numbers Authority” 的缩写。)顾名思义,这份清单专门 针对 Linux。不过,大多数重要的特殊文件在所有 Unix 系统上名字都相似,所以即使你不用 Linux,这份清单也 很有用。

用于硬件的特殊文件(Special Files for Hardware)

连接到计算机的所有设备都可以通过特殊文件访问。我们先 从最直接的设备说起,也就是表示实际硬件的那些设备。如 你在 Figure 23-2 中所见,文件 /dev/fd0 表示一个软盘驱动器。设备名末尾的数字指某个具体的设备。 这里 /dev/fd0 指第一个软盘驱动器。(计算机程序 员常常从 0 开始计数。)如果有第二个软驱,它就是 /dev/fd1,依此类推。同样,/dev/lp0 对应 第一台打印机。

硬盘的处理方式稍有不同。第一块 IDE 硬盘记作 /dev/hda,第二块是 /dev/hdb,依此类推。 硬盘被划分成一个或多个分区(PARTITION),各个分区作用 如同彼此独立的设备。第一块硬盘的第一个分区记作 /dev/hda1;如果有第二个分区,就是 /dev/hda2。SCSI 和 SATA 硬盘另有自己的命名方 式。第一块 SCSI 或 SATA 盘是 /dev/sda,第二块 是 /dev/sdb,依此类推。同样,分区要编号,所以 第一块 SCSI 或 SATA 盘上的第一个分区就是 /dev/sda1。

SCSI 这套命名有时也用于其他类型的设备。一个常见的例子 是 USB 闪存,它被当作可移动的 SCSI 磁盘来对待。因此, 闪存对应的特殊文件会叫作 /dev/sda1 或类似的 名字。

用于终端的特殊文件:tty(Special Files for Terminals: tty)

在 Figure 23-2 中你会注意到,表示终端的特殊文件 有好几种。原因如下。从前,终端是连接到主机计算机上的 独立物理设备(见第 3 章)。这样的终端由名为 /dev/tty1、/dev/tty2 等的特殊文件来表示。 (如我在第 7 章所解释的,TTY 这个缩写是 terminal(终端) 的同义词,因为最早的 Unix 终端是 Teletype 电传打印机, 人们把它们称作 TTY。)

对于那些表现得像硬件设备的终端,如今仍然沿用 /dev/tty 这套命名规则。具体来说,当你以单用户 模式运行 Unix 时就是如此。此时你的键盘和显示器(控制 台)就像一个内置的文本终端,表示这个终端的特殊文件是 /dev/tty1。同样,当你在桌面环境里使用虚拟控制 台时(见第 6 章),它的作用也如同真正的终端。Linux 默认支持六个这样的控制台,分别由 /dev/tty1 到 /dev/tty6 这些特殊文件表示。

然而,当你用图形用户界面在窗口里运行终端仿真程序时, 情况就完全不同了。由于并不存在实际的终端,Unix 会创建 所谓伪终端(PSEUDO TERMINAL)或 PTY 来模拟一个终端。 当你在图形用户界面里打开一个终端窗口(第 6 章),以及 当你连接到远程 Unix 主机(第 3 章)时,用的就是 PTY。 这两种情况下,PTY 都充当你的终端。

恰好有两套不同的机制用于创建伪终端,所以你会看到两类 名字。如果你所用的 Unix 采用第一套机制,表示伪终端的 特殊文件会叫 /dev/ttyp0、/dev/ttyp1 这 样;如果用另一套机制,名字就是 /dev/pts/1、 /dev/pts/2 等等。这两类名字在 Figure 23-2 中都能看到。

任何时候,你都可以用 tty 程序显示你终端的名字。 例如,假设你正在 3 号虚拟终端上工作,你输入:

tty

输出为:

/dev/tty3

为了使用方便,特殊文件 /dev/tty 表示你当前正在 使用的那个终端。例如,如果你正在使用 3 号虚拟控制台, 那么 /dev/tty 与 /dev/tty3 是等价的。

下面举个例子,说明你怎么用上特殊文件。你在第 25 章会 看到,用 cp 程序可以复制一个文件。第 11 章我们 谈过口令文件 /etc/passwd。假设你想把口令文件复 制一份,副本取名为 myfile,命令是:

cp /etc/passwd myfile

这合情合理。再来看看下面这条命令:

cp /etc/passwd /dev/tty

这条命令把口令文件复制到你的终端,效果就是把文件内容 显示在你的显示器上。不妨试一试——然后花点时间想想方才 发生了什么。

用于伪设备的特殊文件(Special Files for Pseudo-Devices)

我们要讨论的最后一类特殊文件是伪设备(PSEUDO-DEVICE)。 伪文件可以充当输入来源或输出去向,却不对应任何实际设备, 无论真实设备还是仿真设备。最有用的两个伪设备是空文件 (NULL FILE)和零文件(ZERO FILE)。空文件是 /dev/null,零文件是 /dev/zero。写往这两个 设备的输出统统被丢弃。因此,有人戏称这些文件为 “位桶(bit bucket)”。

我们在第 15 章详细讨论过空文件。这里举该章的一个例子。 假设你有一个叫 update 的程序,它会读取并修改 大量数据文件。干活的时候,update 会显示有关 进展的统计信息。如果你不想看这些统计信息,可以把标准 输出重定向到两个位桶中的任意一个:

update > /dev/null
update > /dev/zero

如果你想动手试验,这里有个现成的小例子,你现在就能试。 输入命令:

cat /etc/passwd

你会看到口令文件的内容。现在,把 cat 命令的输出 重定向到空文件或零文件,注意输出消失了:

cat /etc/passwd > /dev/null
cat /etc/passwd > /dev/zero

就输出而言,两个位桶的作用相同。唯一的差别在于把它们用 作输入时会发生什么。当程序从 /dev/null 读取时, 无论请求多少字节的输入,结果永远是一个 eof 信号 (见第 7 章)。换句话说,从 /dev/null 读取不会 返回任何东西。

当程序从 /dev/zero 读取时,该文件会生成所请求数 量的字节,只不过这些字节的值全都是 0(数字零)。 在 Unix 中,这个值被视为空字符(NULL CHARACTER),或更 简单地称为 NULL(空值)。尽管听起来奇怪,一个源源不断 提供空字符的来源是有用的。例如,出于安全考虑,常常需要 抹掉某个文件甚至整块磁盘的内容。这种情况下,只要从 /dev/zero 复制所需字节数的数据到输出去向,就能 用空字符覆盖原有数据。

(术语有点让人犯迷糊:空文件什么都不返回,零文件却返回 空字符。生活就是这样。)

下面这个例子用 dd 创建一个全新的文件,里面塞满 空字符。(dd 程序是一个功能强大的 I/O 工具,我 不打算详细讲解。若想进一步了解,请查看联机手册。)

dd if=/dev/zero of=temp bs=100 count=1

在这个例子中,if 是输入文件;of 是输出 文件;bs 是块大小;count 是块的个数。 也就是说,我们把一个 100 字节的数据块从 /dev/zero 复制到一个叫 temp 的文件里。

如果你想拿这个例子做实验,就运行 dd 命令,然后用 hexdump 或 od 程序(第 21 章)显示 temp 的内容。看完之后,可以用 rm 程序 (第 25 章)删除 temp。

最后两个伪设备 /dev/random 和 /dev/urandom 用来生成随机数。因此,每当一个程序 需要随机数时,它只要从这两个文件之一读取即可。

也许你正是那种私人生活中几乎用不到随机数的奇特人物。若 真如此,你可能会纳闷它们为什么重要。答案是:数学家和科 学家用这类数来为包含偶然性的自然过程建立模型。这样使用 时,一个取之不尽、便于调用的随机数来源是无价的。(如果 你对这类东西感兴趣,不妨去读一点关于“随机过程”的材料。) 为数据加密生成密钥的程序也要用到随机数。

命名管道:mkfifo(Named Pipes: mkfifo)

命名管道是一种伪文件,用来创建一种特殊的管道设施。就这 样,命名管道成为我们在第 15 章讨论过的常规管道设施的 延伸。在我演示它如何工作之前,先快速看一眼常规管道。 下面这条命令从系统口令文件中提取所有含有 “bash” 字符的 行,然后把数据用管道送给 wc 程序(第 18 章) 统计行数:

grep bash /etc/passwd | wc -l

我们这样使用管道时,管道并没有一个具体的名字:它是自动 创建的,也只在两个进程运行期间存在。因此我们称之为匿名 管道(ANONYMOUS PIPE)。

命名管道与匿名管道的相似之处在于,两者都是把一个进程的 输出接到另一个进程的输入。然而有两点重要差别。第一,你 必须显式地创建命名管道。第二,两个进程结束时命名管道并 不随之消失:它一直存在,直到被删除。所以,一旦创建了命 名管道,你就可以反复使用它。

你常会看到命名管道被称作 FIFO(读作“fie-foe”),它是 “first-in, first-out”(先进先出)的缩写。这是一个计算机 科学术语,用来描述这样一种数据结构:其中元素取出的顺序 与放入的顺序相同。更正式地说,这样的数据结构称为队列 (QUEUE)。(*)

要创建命名管道,你用 mkfifo(make FIFO,创建 FIFO)程序。语法是:

mkfifo [-m mode] pipe

其中 mode 是与 chmod 程序一起使用的文件 模式;pipe 是你想创建的管道的名字。(文件模式我们 将在第 25 章讲 chmod 时讨论;眼下你可以先忽略 -m 选项。)

大多数时候,命名管道由程序员用来便利两个进程之间的数据 交换,这种操作称为进程间通信(INTERPROCESS COMMUNICATION, IPC)。在那种情形下,程序会按需创建、使用然后再删除命名 管道。借助 mkfifo 程序,你也可以在命令行上手工 创建一个命名管道。这种事不常做,但我还是给你举个例子, 好让你自己动手实验,体会其中道理。

要做这个实验,你需要打开两个终端窗口,或者使用两个虚拟 控制台。然后在第一个终端窗口里输入下面这条命令。该命令 用 mkfifo 创建一个名为 fifotest 的命名 管道:

mkfifo fifotest

现在,我们往管道里送些输入。在同一个窗口里输入下面这条 命令,用 grep 从系统口令文件中挑出含有 “bash” 的行,并 把输出重定向到 fifotest:

grep bash /etc/passwd > fifotest

接着移到第二个终端窗口或虚拟控制台。输入下面这条命令, 从命名管道读取数据并统计行数。你一敲下命令,wc 程序就会从命名管道读取数据并显示它的输出。

wc -l < fifotest

命名管道用完之后,可以用 rm(remove,删除)程序 把它删掉:

rm fifotest

显然,这是个刻意编造的例子。毕竟刚才我们用一行命令就 做到了完全相同的事:

cat /etc/passwd | wc -l

不过,既然你已经明白命名管道如何工作,不妨想想:对一个 工作需要进程间通信的程序员来说,它们可能有多么宝贵。他要 做的只是让程序创建一个命名管道,然后就可以按需多次用它 把数据从一个进程传给另一个进程。活干完,程序再把管道删 掉。简单、容易、可靠,而且无需为了暂存数据而创建中间 文件。

Proc 文件(Proc Files)

Proc 文件是伪文件,它提供了一种简便的办法,可以直接从 内核查看许多类型的系统信息,而不必动用复杂的程序去搜寻 数据。最初的 proc 文件系统是为了提取有关进程(*)的信息 而开发的,因此得名 “proc”。

所有 Proc 文件都存放在 /proc 目录中。在这个目录 里,你会发现系统上每个进程都有一个对应的子目录。这些子 目录的名字就是各个进程的进程 ID。(正如我们将在第 26 章 讨论的,每个进程都有一个唯一的标识号,称为“进程 ID”。) 例如,假设此刻你的系统上有一个进程是 #1952,那么关于它 的信息就能在 /proc/1952 目录里的伪文件中找到。

/proc 目录的想法取自 Plan 9 操作系统(*),那是 一个从 1980 年代中期一直做到 2002 年的研究项目。Plan 9 项目由贝尔实验室创立,发起者正是创造 Unix、C 和 C++ 的 那批人。Plan 9 的一个基本概念是:所有系统接口都应被视为 文件系统的一部分。具体说来,关于进程的信息就放在 /proc 目录里。尽管 Plan 9 并未获得成功,但把许 多类型的信息当作文件来访问这一想法极具吸引力,终究被 Unix 和 Linux 社区广泛采纳。

然而 Linux 不仅采纳了 /proc,还把它大大扩展了。 现代 Linux 系统用这个目录存放许多其他伪文件,从而可以 访问种类繁多的内核数据。事实上,如果你是超级用户,甚至 可以通过往某个 Proc 文件写入来修改某些 Linux 内核的 值。(别去试。)Figure 23-3 列出了 Linux 中最值得 关注的 Proc 文件。你可以像查看普通文本文件内容那样查看 这些文件里的信息。例如,要显示有关你处理器的信息,用下面 两条命令中的任一条:

cat /proc/cpuinfo
less /proc/cpuinfo

Figure 23-3: 最值得关注的 Linux Proc 文件

Proc 文件是用来访问内核信息的伪文件,主要由系统程序 使用。虽然你很少会直接使用 Proc 文件,但有几个了解 一下颇有好处。细节见正文。

通常情况下,除非你是系统管理员,否则你永远不必去看 Proc 文件。大体而言,Proc 文件只被那些需要从内核获取高度技术 性信息的程序使用。例如,在第 26 章我们将讨论 ps (process status,进程状态)程序,它会显示你系统上各进程 的信息。ps 程序正是通过读取相应的 Proc 文件来 收集它所需的数据的。

有一个格外引人入胜的 Proc 文件,我没有列在 Figure 23-3 里,那就是 /proc/kcore。这个文件 表示你计算机的实际物理内存。你可以用带 -l 选项的 ls 程序显示它的大小(见第 24 章):

ls -l /proc/kcore

这个文件看上去会大得吓人:实际上,它的大小与你计算机全 部内存(RAM)的容量相同。但要记住,这是一个伪文件:它并 不真的占用空间。

树形文件系统;文件系统层次标准
(The Tree-Structured Filesystem;
The Filesystem Hierarchy Standard)

在接下来几节里,我们要谈谈 Unix 文件系统以及它的组织 方式。讨论中我以标准的 Linux 文件系统为例。细节在不同 的 Unix 系统之间会有差别,所以你的系统可能与这里写的 有些不同。但基本概念,包括大多数目录名字,都是一样的。

一台典型的 Unix 系统含有远超十万个文件(*),存放在目录 和子目录中。所有这些文件都被组织进一个文件系统 (FILESYSTEM),其中的目录以一棵树的结构组织,树根是一个 称为主目录的目录,即“根目录”。文件系统的职责是存储和 组织数据,并向用户和程序提供对这些数据的访问。 Figure 23-4 给出了文件系统组织方式的图示。根目录 ——直接或间接地——是系统中所有其他目录的父目录。

	Figure 23-4. 标准的 Linux 文件系统 Unix 和 Linux 系统含有数量极其庞大的文件——至少 十万到二十万——它们被组织成一棵由目录和子目录构成 的树。这个例子展示的是标准 Linux 文件系统的骨架。 你看到的这个示例遵循文件系统层次标准(本章后面有 说明)。如你所见,根(主)目录包含 16 个子目录, 每个子目录又有自己的子目录、子子目录,依此类推。 图中还列出了 /usr 目录中常见的 7 个子目录。

第一次查看 Unix 文件系统的组织方式,你或许会有些发怵。 毕竟那些名字古怪而神秘,几乎看不出什么道理。然而,如同 Unix 世界的大部分内容一样,一旦你明白了这些模式以及它们 如何运作,Unix 文件系统就很好懂了。本章后面我们会把 Figure 23-4 里的子目录逐个过一遍,届时我会解释它们 的用途以及名字的由来。

不过在开始之前,我想花点时间说说 Unix 文件系统为什么会 组织成这个样子。如我们在第 2 章所讨论的,第一个 Unix 系统是 1970 年代初在贝尔实验室开发的。Figure 23-5 展示了最初那个 Unix 系统的结构,它本来就是按层次树设计 的。别担心那些名字,后面都会说得明白。我只想让你注意一 点:最初的文件系统与如今的文件系统(Figure 23-4) 的某个子集极其相似。

	Figure 23-5. 最初的 Unix 文件系统 Unix 文件系统一开始就用目录和子目录来组织文件。 这张图展示的是 1970 年代初最初那个 Unix 系统所采用 的树形结构。注意,这棵树看上去差不多就是如今文件 系统(Figure 23-4)的一个子集。

随着 Unix 逐年演进,文件系统的组织方式也跟着变化,以反 映各路 Unix 开发者的需求与偏好。虽然基本格式没变,细节 却因 Unix 的版本而异。这造成了相当的混乱,尤其是当用户 在 System V Unix 和 BSD 之间来回迁移的时候(见 第 2 章)。到了 1990 年代,各 Linux 发行版的创造者开始 引入自己的变体,混乱于是加剧。

1993 年 8 月,一群 Linux 用户成立了一个小组织,制定标准 的 Linux 目录结构。第一份这样的标准于 1994 年 2 月发布。 1995 年初,随着 BSD 社区成员加入这项工作,该组织把目标 进一步扩大。从那以后,他们致力于能为所有 Unix 系统—— 而不只是 Linux——制定标准的文件系统组织方式。这套新的 体系被称为文件系统层次标准(FILESYSTEM HIERARCHY STANDARD,FHS)。当然,由于并不存在 Unix 警察,这个标准 是自愿采用的。尽管如此,许多 Unix 和 Linux 开发者还是 选择采纳了 FHS 的大部分内容。

尽管许多 Unix 系统在某些方面与 FHS 不同,但 FHS 是一个 深思熟虑的方案,确实抓住了现代 Unix 和 Linux 文件系统 组织方式的精髓。理解了 FHS,你会发现与任何其他 Unix 系统打交道都很容易。因此,在我们讨论 Unix 文件系统的 细节时,我将以 FHS 为样板。如果你想看看 FHS 的基本模样, 请看 Figure 23-4。

根目录;子目录(The Root Directory; Subdirectories)

从一开始,Unix 文件系统就被组织成一棵树。我们在第 9 章 把树当作抽象数据结构讨论过,当时我解释过,一棵树的主要 节点称为根(详见第 9 章)。因此,我们把 Unix 文件系统的 主目录称为根目录(ROOT DIRECTORY)。

由于根目录如此重要,它的名字常常必须作为命令的一部分写 出来。每次都要输入 “root” 这几个字母实在太麻烦。于是, 根目录用一个单独的 /(斜杠)来表示。这里举个简单 例子。要列出某个指定目录中的文件,你用 ls 程序 (第 24 章):输入 ls,后面跟上目录名即可。列出 根目录中所有文件的命令是:

ls /

当你要指明某个位于根目录之内的目录或文件时,就写一个 /,后面跟上名字。例如,根目录里有一个名为 bin 的子目录。要列出这个目录中的所有文件,你用 这条命令:

ls /bin

严格地说,它的意思是“位于 /(根)目录之内、名为 bin 的那个目录”。

要表示某个目录或文件位于另一个目录之内,就用 / 把名字隔开。例如,在 /bin 目录里,你会找到存放 ls 程序本身的文件。这个文件的正式名字是 /bin/ls。同样,在 /etc 目录里,你会找到 Unix 的口令文件 passwd(见第 11 章),它正式的 名字是 /etc/passwd。

谈论这类名字时,我们把 / 字符读作 “slash”(斜 杠)。因此,/bin/ls 这个名字读作 “slash-bin- slash-L-S”。

挂载文件系统:mount, umount(Mounting a Filesystem: mount, umount)

在 Unix 文件系统里,几十万个文件被组织成一棵巨大的树, 树的基部就是根目录。多数情况下,这些文件并不存放在同一 个物理设备上,而是存放在若干不同的设备上,其中包括多个 磁盘分区。(如我前面解释的,每个磁盘分区都被视为一个独立 的设备。)

每个存储设备都有自己的本地文件系统,其中的目录和子目录 按标准的 Unix 方式组织成一棵树。然而,在能够访问某个本 地文件系统之前,必须把它的树接到主树上。做法是把较小文 件系统的根目录连接到主文件系统中某个指定的目录上。我们 这样把一个较小的文件系统接上来,就叫挂载(MOUNT)它。 主树中用来承接该文件系统的那个目录称为挂载点(MOUNT POINT)。最后,当我们断开一个文件系统时,就叫卸载 (UNMOUNT)它。

Unix 系统每次启动时,都会作为启动过程的一部分自动挂载 若干本地文件系统。因此,等到系统运行起来、可以使用时, 主文件系统早已被其他几个文件系统扩充过了。

有时你可能需要手工挂载一个设备。为此你使用 mount 程序;要卸载一个设备,你用 umount。作为一种总体 上的预防措施,只有超级用户才被允许挂载文件系统。不过为 了方便,有些系统被配置成允许普通用户挂载某些预先设定的 设备,例如 CD 或 DVD。

这里举一条挂载命令的例子。在这个例子里,我们挂载设备 /dev/fd0 上找到的软盘驱动器文件系统,把它在主树 上的 /media/floppy 位置接上:

mount /dev/fd0 /media/floppy

这条命令的效果是,用户就能通过 /media/floppy 目录访问软盘上的文件。

挂载与卸载是需要超级用户身份的系统管理工作,所以我不深 究其细节。请查阅联机手册(man mount)。不过 作为普通用户,你可以列出系统上当前挂载的全部文件系统, 只要单独输入一条 mount 命令:

mount

粗略地说,存储设备分两类。固定媒体(FIXED MEDIA)如硬 盘,永久连接在计算机上。可移动媒体(REMOVABLE MEDIA)则 可以在系统运行时更换:CD、DVD、软盘、磁带、U 盘、存储卡 等等。在系统层面,这一区分很重要,因为一旦某个文件系统 有可能真的凭空消失,Unix 就必须确保对它做妥善管理。例 如,在允许你弹出 CD 之前,Unix 必须确认所有待完成的输出 操作都已完成。

因此,文件系统层次标准规定了挂载文件系统应使用的特定目 录。对于没有挂载在其他位置的固定媒体(例如额外的硬盘), 该目录是 /mnt;对于可移动媒体,该目录是 /media。

根目录巡礼(A Tour of the Root Directory)

要对你计算机上的文件系统建立基本理解,最快的办法就是看 看根目录,把里面所有子目录检查一遍。这些目录构成了整个 系统的骨干,因此有时被称为顶级目录(TOP-LEVEL DIRECTORIES)。

Figure 23-6 总结了文件系统层次标准(FHS,本章前面 讨论过)所规定的根目录标准内容。尽管细节因 Unix 系统而 异,但所有现代文件系统都可视为 FHS 的变体。所以,一旦 你理解了 FHS,就能看懂你碰巧遇到的任何 Unix 文件系统。

Figure 23-6: 根目录的内容

Unix 文件系统的骨架是由顶级目录,也就是根目录的 子目录搭起来的。下面是文件系统层次标准(FHS)规定的 全部顶级目录的清单。由于某些 Unix 和 Linux 系统并不 严格遵循 FHS,你看到的可能与这里有所不同。即便如此, 你仍可把这份清单当作起点,用以理解你自己的系统。

我们这里的目标是从根目录开始,把顶级目录的清单逐个走 一遍。每讨论一个目录,你都可以用 ls 程序 (第 24 章)在自己的系统上查看它。例如,要显示 /bin 目录的内容,可用下面两条命令之一:

ls /bin
ls -l /bin

你用不带选项的 ls 时,只会看到文件名字。如果用 上 -l(long,详细)选项,就会看到更多细节。要是 输出太多、刷得太快,你可以把它用管道送给 less (第 21 章),一屏一屏地看:

ls -l / | less
ls -l /bin | less

根目录
根目录是整个文件系统的基部。在许多 Unix 系统上,根目录里只有子目录。也有某些系统 里你能找到一个普通文件,那就是内核。(见 下面关于 /boot 的讨论。)

/bin
这个目录存放最重要的系统程序, 也就是管理员在单用户模式下维护系统所需的 基本工具(见第 6 章)。这些工具都是可执行 程序,正如本章前面所讨论的,它们是二进制 文件。所以叫 bin:存放二进制文件的地方。 更简单地说,你可以把这个目录当作装程序的 存储箱。这个目录里的一些程序普通用户也会 用到。

/boot
这是系统存放引导(boot)过程所需 全部文件的地方(见第 2 章)。内核必须位于这 个目录或根目录之中。内核很好认:输入下面两 条命令,找一个名字古怪的超大文件即可:

ls -l /boot | less
ls -l / | less

如果你升级过系统,你会发现内核不止一个版本。多数情况 下,在用的是最新的那一个,看名字就能认出来。(版本号 是名字的一部分。)

/dev
在这个目录里,你会找到所有的特殊 文件。大多数特殊文件表示物理设备,少数表示伪设备。 (见本章前面的讨论。)这个目录里还有一个叫 MAKEDEV 的程序,用来创建新的特殊文件。

/etc
这个目录包含配置文件。如我们在 第 6 章所讨论的,配置文件是一种文本文件,在程序 启动时被处理,其中含有影响该程序运行的命令或 信息。就精神实质而言,配置文件与第 14 章讨论过的 rc 文件相似。

/home
当你的 Unix 账户被创建时(见 第 4 章),你在得到用户 ID 的同时也得到一个“主 目录”。你的主目录就是存放你所有个人文件和目录的 地方。主目录的名字与你的用户 ID 相同。所以,如果你 幸运地拥有用户 ID harley,你的主目录就是 /home/harley。主目录的事本章后面还要详细讲。 除一个例外,所有主目录都位于 /home 之中。 这个例外就是超级用户的主目录,它是 /root (见下文)。

/lib
程序运行时常常要调用库 (LIBRARIES),也就是现成的数据与代码模块。Unix 提供了大量库,使程序能够访问操作系统提供的服务。 这个目录包含运行 /bin 和 /sbin 中 程序所必需的库和内核模块。

/lost+found
如果 Unix 没有正常关机,那些只写 了一部分的文件就可能受损。下一次 Unix 启动时,会运行 一个叫 fsck(filesystem check,文件系统检查)的 专门程序来检查文件系统并修复问题。如果发现损坏的文件, fsck 会把它们抢救出来,移到 /lost+found 目录。系统管理员随后可以查看这些恢复的文件,并妥善处置。

/media
可移动媒体的挂载点,例如 CD、DVD、 软盘、U 盘、存储卡等等。(见本章前面关于挂载文件 系统的讨论。)

/mnt
未挂载在别处的固定媒体的挂载点, 例如额外的硬盘。曾几何时,这是唯一的挂载目录,所以你 常会看到人们把可移动媒体挂在这里。除非你想让自己的人 生最终被揭穿成一场彻头彻尾的骗局,否则别学这些人:可 移动媒体属于 /media 目录。

/opt
这个目录是第三方应用程序安装自己的 地方。(名字 /opt 代表 “optional software”, 可选软件。)在 /opt 里,每个应用程序都有一个 子目录,可以按照自己的意愿组织。这给了应用开发者一个 指定的安装位置,而不必操心某个特定文件系统可能如何 组织。/opt 中的子目录以公司名或应用名命名。 为了井然有序,LANANA(本章前面讨论过的 Linux Assigned Names and Numbers Authority)维护着官方的名字清单。想 看这些清单,请在网上搜索 “LSB Provider Names” 或 “LSB Package Names”。(LSB 代表 “Linux Standard Base”。)

/root
这是超级用户的主目录,也就是用户 ID 为 root 的那位的主目录。其他所有主目录都在 /home 里(见上文)。

/sbin
名字 /sbin 代表 “system binaries”(系统二进制程序)。这个目录存放用于 系统管理的程序。一般规则是,这个目录里的程序必须以 超级用户身份运行。

/srv
这个目录为与本机提供的服务相关的 数据而预留(因此得名 /srv)。可能把数据存在这里 的典型服务有 cgi、Web、ftp、cvs、rsync 等等。

/tmp
这个目录用来做临时存储。任何人都 可以在这个目录里存放文件。不过,/tmp 的内容最终 会被自动清除。因此,程序通常只用这个目录存放那些短时 需要的文件。

/usr
这个目录是一个第二文件系统的根, 它自己含有若干重要的子目录。/usr 的用途是存放 静态数据(STATIC DATA),即不经系统管理员干预就不会改变 的数据。静态数据就其本性而言不随时间改变。这使得 /usr 可以独立驻留在自己的设备上,甚至可以是一个 只读设备,比如 CD-ROM。从前,/usr 是存放用户主 目录的地方。如今 /usr 只用于静态数据,而会变化的 主目录则存放在 /home 中(见上文)。

/var
这个目录的名字意为 “variable”(可变)。与 /usr 一样,这个目录是 一个第二文件系统的根,其中含有自己的重要子目录。差别 在于:/usr 存放静态数据,而 /var 存放变动 数据(VARIABLE DATA),即就其本性而言会随时间变化的数据, 例如日志文件(记录系统上正在发生什么)、打印文件、电子 邮件等等。与 /usr 一样,/var 文件系统常常 驻留在自己的设备上。以这种方式把静态数据与变动数据分离 开来,系统就更容易管理。例如,系统管理员可以建立一套备 份机制,让变动文件比静态文件保存得更独立(也更频繁)。

/usr 目录巡礼(A Tour of the /usr Directory)

如本章前面所讨论的,/usr 和 /var 两个目录 是各自独立文件系统的挂载点,这些文件系统被整合进主文件 系统。/usr 文件系统存放静态数据,/var 存 放变动数据。这两个目录装的都是系统数据,与之相对,用户 数据存放在 /home 目录中。

此外,这两个目录都包含若干标准子目录。不过 /var 文件系统主要是给系统管理员用的,对普通用户没那么重要。 /usr 文件系统就有趣得多了:它包含对普通用户和程 序员都有用的文件。因此,我要带你把 /usr 简短地 逛一圈,给你看看文件系统层次标准所描述的最重要的子目录。 作为参考,Figure 23-7 汇总了这些目录。如前所述,你 可能会发现标准布局与你的系统之间存在一些差异。

Figure 23-7: /usr 目录的内容

/usr 目录是一个第二文件系统的挂载点,其中存放用 户和程序员感兴趣的静态数据。按文件系统层次标准,下面是 你在这个目录里会找到的最重要的子目录。细节见正文。

/usr/bin
与根目录里同名的那个目录 (/bin)一样,这个目录包含可执行程序。 这里的程序比 /bin 多得多。事实上, /usr/bin 就是系统上大多数可执行程序的家。 例如,在我的一台 Linux 系统上,/bin 只有 100 个程序,而 /usr/bin 有 2084 个程序。

/usr/games
这是我在整个 Unix 文件系统里最 喜欢的目录(也许除了 /home/harley)。顾名思义, 这个目录里有游戏,还有各种消遣节目和教育程序。从前, /usr/games 里满是各种有趣好玩的程序。我最喜欢的 游戏是 adventure,最喜欢的消遣是 fortune。 在互联网上四处看看,你仍然能找到这些程序——还有更多 ——并且可以下载装到自己的系统上。(顺手找找 “Hunt the Wumpus”。)如今可惜大多数游戏都不见了,实在 是令人痛惜。有些 Unix 系统只剩几个游戏,有些干脆一个 也没有。这几乎就像有太多人忘记了 Unix 本该是好玩 的。

/usr/include
这里是 C 和 C++ 程序员所用 包含文件的存放区。包含文件(INCLUDE FILE)有时称为头 文件(HEADER FILE),其中的源代码任何程序员都可按需取 用。典型的包含文件里有子例程、数据结构、变量、常量等 等的定义。我们之所以用“包含文件”这个名字,是因为在 C 语言里用 #include 语句把这类文件纳入程序。而 “头文件”这个名字则是指这类文件通常被包含在程序最开头 (头部)的位置。包含文件的名字带有 .h 后缀,例 如 ioctl.h 和 stdio.h。

/usr/lib
与它的同类 /lib 一样,这个 目录存放库:程序用来访问操作系统所提供服务的现成数据 与代码模块。

/usr/local
这个目录由系统管理员按需使用, 以服务本地用户。本地的程序和文档就存放在这里。这个目 录的一种典型用法是建一个子目录 /usr/local/bin, 用来存放不属于主系统的程序。把软件放在这里,可以确保 系统升级时它不会被覆盖。

/usr/sbin
与 /sbin 一样,这个目录 包含管理员使用的系统程序。从概念上说,/usr/sbin 之于 /sbin,就如同 /usr/bin 之于 /bin(见上文对 /usr/bin 的讨论)。

/usr/share
有大量存放静态数据的文件——文档、 字体、图标等等——需要在用户和程序之间共享。 /usr/share 目录有许多子目录用来存放这类文件。 例如,第 20 章我们谈过词典文件,在许多系统上它可以 在 /usr/share/dict/words 找到。最值得一看的共享 文件是那些包含第 9 章讨论过的联机文档的文件:Unix 手册存放在 /usr/share/man,Info 系统存放在 /usr/share/info。

/usr/src
名字 src 代表 “source code” (源代码)。在这个目录里,你会找到存放系统源代码的子 目录。/usr/src 中的源代码仅供参考。在许多 Linux 系统上,你可以在 /usr/src/linux 找到内核的源代 码。

/usr/X11
这个目录存放 X Window(图形用户 界面支持系统,见第 5 章)所使用的海量文件和目录。有些 系统上,这个目录叫 /usr/X11R7,或者(如果系统 很旧)/usr/X11R6。

为什么存放程序的目录不止一个?
(Why Is There More Than
One Directory for Programs?)

如我们所讨论的,有两个不同的目录用来存放通用的可执行 程序:/bin 和 /usr/bin。你也许正在纳闷, Unix 为什么要有两个这样的目录?为什么不干脆把所有程序 存放在一个目录里?答案是:这两个 bin 目录是一笔 历史遗产。

1970 年代初,最早几个版本的 Unix 是在贝尔实验室一台 PDP 11/45 小型机上开发的(见第 2 章)。Unix 的开发人员用的 那台 PDP 11/45 有两个数据存储设备。主设备是一个定 头磁盘,常被称作磁鼓(drum)。磁鼓相对较快,因为读写头 不必随磁盘转动而移动。但它的数据存储量有限,不到 3 兆 字节。

次设备是一块叫 RP03 的常规磁盘。RP03 上的读写头可以在 一条磁道与另一条磁道之间来回移动,这让它能存多得多的 数据,最多 40 兆字节。不过,由于读写头要动,这块磁盘 比磁鼓慢得多。

为了在一台计算机上容纳多个存储设备,Unix 的开发人员采 用了一种设计:每个设备都有自己的文件系统。主设备(磁 鼓)存放所谓根文件系统;次设备(磁盘)存放所谓 usr 文件系统。

理想情况下,把整个 Unix 系统都放在磁鼓上当然最好,因为 它比磁盘快得多。可就是没那么大的地方。于是 Unix 的开 发人员把所有文件分成两组。第一组是启动过程以及运行基 础操作系统所必需的文件,这些文件存放在磁鼓上的根文件 系统里。其余文件则存放在磁盘上的 usr 文件系统 中。

启动时,Unix 从磁鼓引导。这就让操作系统能立即访问根文 件中那些必备的文件。Unix 运行起来之后,再挂载 usr 文件系统,从而可以访问其余文件。

这两个文件系统中各有一个 bin 目录用来存放可执行 程序:根文件系统有 /bin,usr 文件系统有 /usr/bin。在启动过程中,也就是 usr 文件系 统挂载之前,Unix 只能访问根文件系统那块相对狭小的存储 区。因此必备程序存放在 /bin 中,其他程序存放在 /usr/bin 中。同样,库文件也分成两个目录:/lib 和 /usr/lib;临时文件则放在 /tmp 和 /usr/tmp 中。所有情形都是一个道理:根文件系统只 放最重要的文件,即引导和排除故障所必需的文件,其余一切 都放进 usr 文件系统。

如今存储设备又快又便宜,还能存海量数据。除少数情况外, 已经没有令人信服的理由非要把 Unix 的核心拆分到存放于多 个设备的多个文件系统里。的确,有些 Unix 系统把所有通用 二进制文件放在一个巨大的目录里。不过,仍有许多 Unix 系 统使用各自独立的文件系统,合成一棵大树。这样设计的原因, 我们将在本章后面讨论虚拟文件系统时再讲。

一般规则是,现代 Unix 系统区分三类软件:任何人都可能用 到的通用程序;只有超级用户才用的系统管理程序;以及需要 许多文件和目录的大型第三方应用程序。如本章前面所讨论 的,这三类程序各自存放在自己的目录里。作为参考, Figure 23-8 汇总了你可能找到 Unix 程序文件的各个 位置。

Figure 23-8: 存放程序文件的目录

Unix 文件系统为程序文件设置了不少不同的存放位置。通用 程序存放在名为 bin(“binary files”,二进制文件) 的目录中;系统管理程序存放在名为 sbin(“system binaries”,系统二进制程序)的目录中;大型第三方应用存放 在名为 opt(“optional software”,可选软件)的目 录中。程序还被进一步分为必备与非必备两类。必备程序是启 动系统或执行关键系统管理所必需的程序,其余的都是非必备 程序。

你在这里看到的细节以文件系统层次标准为依据,你的系统 可能略有不同。

主目录(Home Directories)

系统目录里有这么多塞满重要文件的地方,显然我们需要一套 有序的制度来管住用户把个人文件存在哪里。当然,像你我这 样聪明的人,如果允许我们把个人程序存进 /bin 目 录、把个人数据文件存进 /etc,也未必会把事情搞 糟。但总的来说,我们不能让芸芸众生随心所欲地把文件乱放 在任何地方——我们需要条理。

解决办法是给每个用户一个属于自己的主目录(HOME DIRECTORY),一个他可以在里面为所欲为的目录。当你的 Unix 账户被创建时(见第 4 章),系统就为你创建了一个主目录。 你主目录的名字记在口令文件里(第 11 章),你一登录,系统 就自动把你放进这个目录。(“在”一个目录里是什么主意,等 你读完第 24 章就会明白得更透彻。)在你的主目录里,你可以 随心所欲地存放文件、创建其他子目录。的确,许多人自己就 有一套庞大精妙的树形结构,全都挂在自己的主目录之下。

文件系统层次标准建议主目录建在 /home 目录里。在 小型系统上,主目录的名字就是用户 ID,例如 /home/harley、/home/linda 等等。在用户 ID 众多的大型系统上,可能多加一层子目录,把主目录按类 别组织起来。例如,在一所大学里,主目录可能放在名为 undergrad、grad、professors 和 staff 的子目录里;在一家房地产公司,你可能会看到 agents、managers 和 admin。意思你 懂了。

唯一一个主目录不在 /home 之下的用户 ID 就是超级用户(root)。因为管理员必须随时都能控制 系统,超级用户的主目录必须始终可用,即使在系统引导时或 系统在单用户模式下运行时也不例外(见第 6 章)。许多系统 上,/home 目录位于一个第二文件系统之中,而它在 被挂载之前是不可用的。相反,/root 目录始终是根 文件系统的一部分,因而始终可用。

每次你登录时,环境变量 HOME 都会被设成你主目录 的名字。因此,显示主目录名字的一个办法,就是用 echo 程序显示 HOME 变量的值:

echo $HOME

(echo 程序只是显示它参数的值。关于它和环境变量 的讨论在第 12 章。)

作为捷径,符号 ~(波浪号)可以作为你主目录的缩写。 例如,你可以用下面这条命令显示主目录的名字:

echo ~

不管它叫什么名字,主目录要紧的地方在于:它是你的,由你 做主。你该做的头一件事,就是建一个 bin 子目录, 用来存放你自己的程序和 Shell 脚本。然后你可以把这个目录 的名字——例如 /home/harley/bin——放进你的搜索 路径。

(搜索路径是存放在 PATH 环境变量里的一串目录。每 当你输入一个并非 Shell 内置的程序名字时,Unix 就会到搜 索路径指定的那些目录里去找该执行的程序。详见第 13 章。)

Figure 23-9 展示了一个以 /home/harley 主目录 为基础的典型目录结构。这个主目录有三个子目录: bin、essays 和 games。essays 目录自己又有三个子目录:history、 literature 和 surfing。所有这些目录都含有 文件,只是图中没有画出来。你在第 24 章会看到,创建和删除 子目录很容易。因此,随着需求变化,扩大或修剪你的目录树都 是轻而易举的事。

Figure 23-9. 典型的以主目录为根的树形结构 每个用户 ID 都被分配一个主目录。按文件系统层次 标准,主目录应放在 /home 目录里,不过你也会 见到各种变体(见正文)。 在你的主目录里,你可以根据自己的需要创建和删除 子目录。这个例子展示了一个典型的主目录,它有三个 子目录,其中一个自己又有三个子目录。这六个子目录 都含有文件,只是图中没有画出。

/home 目录是文件系统层次标准的一部分,在 Linux 系统上被广泛使用。但如果你用的是另一类 Unix,你的主目录 也许在别处。经典的设置——用了很多年——是把主目录放在 /usr 目录里。例如,用户 ID 为 harley 的主 目录就是 /usr/harley。还有的系统用 /u、 /user(带 “e”)、/var/home 或 /export/home。作为参考,下面是你可能在不同系统 上看到的主目录位置示例:

/usr/harley
/u/harley
/user/harley
/var/home/harley
/export/home/harley

在大型系统上,尤其是文件存放在网络上的系统,主目录的确 切位置可能复杂得多;很大程度取决于系统管理员决定如何组织 文件系统。例如,我在一台计算机上有账户,我的主目录是一个 五层深的子子子子子目录:

/usr/local/psa/home/vhosts/harley

虚拟文件系统(The Virtual File System)

在这一章里,你我一起覆盖了不少材料。如果你在意这类东 西,这些细节多少会有些意思。然而,这片森林的内容远不止 树上的叶子。Unix 文件系统是由几位极其聪明的人创造的, 多年来又经许许多多经验丰富的程序员和系统管理员之手不断 增强。最终的产品不仅实用,而且优美。

本节我想帮你体会这套系统的不凡之处,不只是它的有用,还 有它的美。为此,我要解释:存放在各种不同存储设备上的多 个文件系统,是如何被合并成一个巨大的树形结构的。

本章前面我解释过,每个存储设备都有自己的本地文件系统, 其中目录和子目录按标准 Unix 方式组织成一棵树。在你能够 访问这样一个文件系统之前,它必须先连到主文件系统上,这 个过程我们称为挂载。用技术术语说,我们是通过把一个文件 系统的根目录连接到一个挂载点——主文件系统内的某个目录 ——来挂载它的。

我希望你注意到,我们谈论这些概念时,“文件系统”一词有 两种不同用法。别被绕糊涂。第一种是“Unix 文件系统”,那 个包罗万象的巨大结构,整个系统里每个文件、每个目录都在 其中。第二种是较小的、独立的“设备文件系统”,驻留在各 个存储设备上。Unix 文件系统正是由这些较小的文件系统连接 成一个巨大结构而形成的。

要为了解释这一切如何运作,我得从头说起,先回答一个问题: 系统启动时会发生什么?当你打开计算机时,一连串复杂的事件 被启动起来,这就是引导过程(第 2 章有描述)。加电自检之后, 一个叫做引导加载程序(boot loader)的特殊程序接管控制权, 并从引导设备(BOOT DEVICE)读取数据,以便把操作系统装入 内存。多数情况下,引导设备是本地硬盘上的一个分区;但它也 可以是一个网络设备、一张 CD、一个 U 盘等等。

引导设备上的数据之中,藏着那个最初的 Unix 文件系统,即 根文件系统(ROOT FILESYSTEM)。根文件系统是自动挂载的, 它保存启动 Unix 所需的全部程序和数据文件,也保存一旦出 乱子系统管理员会用到的工具。因此,根文件系统至少包含下 面这些目录(本章前面都讨论过):

/bin /boot /dev /etc /lib /root /sbin /tmp

一旦根文件系统挂载完毕、内核启动起来,其他设备文件系统 就会被自动挂载。有关这些文件系统的信息保存在一个配置文 件 /etc/fstab(*)里,系统管理员可以修改它。(名字 代表 “file system table”,文件系统表。)要查看你系统上 的这个文件,用命令:

less /etc/fstab

根文件系统总是存放在引导设备上。不过还有三个文件系统可 能驻留在各自的设备上:usr、var 和 home。如果这些文件系统有自己独立的设备,就把它们 接到相应的子目录上,从而连入 Unix 文件系统。usr 文件系统挂载在 /usr;var 文件系统挂载在 /var;依此类推。这一切都是自动完成的,所以等到你 看到登录提示符时,所有文件系统都已挂载,Unix 文件系统已 就绪运行。

每种设备都使用适合该类设备的文件系统。硬盘上的一个分区 使用适合硬盘的文件系统;CD-ROM 使用适合 CD-ROM 的文件系 统,如此等等。可以想见,读写数据所涉及的细节会因设备类 型不同而差别很大,也会因文件系统是本地(在你计算机上) 还是远程(在网络上)而不同。最后,有些文件系统——例如用 于 Proc 文件的 procfs——使用伪文件,而伪文件并不 驻留在存储设备上。作为参考,Figure 23-10 列出了你 最可能遇到的那些文件系统。

Figure 23-10: 最常见的文件系统

作为参考,这里列出你使用 Unix 或 Linux 系统时最常遇到 的文件系统。基于磁盘的文件系统在硬盘、CD、DVD 或其他设 备上存储数据;网络文件系统支持通过网络共享资源;专用文 件系统提供对系统资源(例如伪文件)的访问。

各种文件系统之间差异如此之大,这就引出一个重要问题。 想想下面两条 cp(复制)命令:

cp /media/cd/essays/freddy-the-pig /home/harley/essays
cp /proc/cpuinfo /home/harley/

我们在第 25 章会讲 cp。眼下我只想让你体会到的 是:第一条命令把 CD 上某个目录里的文件复制到硬盘某个分 区的目录里;第二条命令把伪文件(由内核生成)里的信息复 制到硬盘某个分区的一个文件里。两种情况下,你都只是输入 一条简单命令,那么细节由谁来操心?

细节由一个特殊的设施负责,叫做虚拟文件系统(VIRTUAL FILE SYSTEM,VFS)。VFS 是一个 API(应用程序接口),在你 的程序与各个文件系统之间充当中间人。每当一个程序需要一 次 I/O 操作时,它就向虚拟文件系统发出请求。VFS 找到合适 的文件系统,通过指示设备驱动程序执行 I/O 来与之通信。就 这样,VFS 让你和你的程序能够面对单一、统一的树形结构 (Unix 文件系统)工作,尽管实际上数据来自种种彼此不同的 独立文件系统。

在我们的第一个例子里,数据必须从 CD 读出。cp 程 序发出一个读请求,由虚拟文件系统处理。VFS 把它自己的请 求发给 CD 文件系统,CD 文件系统再向 CD 设备驱动程序发出 相应的命令,由驱动程序读取数据。这样,你不必知道任何细 节,你的程序也不必。在你看来,Unix 文件系统就跟你想象的 那样存在,并且完全按你希望的方式工作。

你看出它的美了吗?在每一次文件操作的一端,虚拟文件系统 用你的语言与你交谈;在另一端,VFS 用各个设备文件系统自己 的语言与它们交谈。结果就是,你和你的程序能够与任何一个 文件系统打交道,而无须直接与它们通信。

再想一个问题。每当开发出一种新的文件系统(比如为新设备 开发的),它怎样才能与 Unix 协同工作?答案在概念上很简 单。新设备的所有开发者要做的,只是教会这个新文件系统说 “VFS 语”。这样它就能加入 Unix 的世界,并且天衣无缝地融 入其中。

妙处就在这里:无论你是什么时候学的 Unix——35 年前还是 35 分钟前——Unix 文件系统看上去一样,用起来也一样。而 且,随着岁月推移,新设备、更好的文件系统不断出现,它们 都会平滑而轻松地融入你的世界。这就是为什么那个在学生还 戴爱情珠、上街反战的时代设计出来的操作系统,在学生已经 戴着手机、上街反战的今天依然运作良好。

那么未来呢?我们无法预知在即将到来的岁月里会出现什么样 稀奇古怪的新设备和信息来源。毕竟,说到技术,谁也不敢许 诺什么。然而我能向你承诺的是:无论出现什么新技 术,它都能与 Unix 一起工作。我还可以承诺:多年以后,你 会把 Unix 教给你的孩子(*)。

练习(Exercises)

复习问题 #1:

什么是 Unix 文件?

文件的三种主要类型是什么?分别描述每一种。

复习问题 #2:

说明文本文件与二进制文件的区别。各举三个例子。

复习问题 #3:

什么是文件系统层次标准(FHS)?按 FHS,简要说明下列 各项的内容:

1. 根目录(/)

2. 下列顶级目录:

复习问题 #4:

在 FHS 中,哪些目录存放通用程序?

哪些目录存放系统管理程序?

复习问题 #5:

什么是主目录?按 FHS,主目录在哪里找到?

唯一一个主目录在别处的用户 ID 是谁?为什么?

假设你的用户 ID 是 weedly,你是一所大型大学的 本科生。给出你的主目录两个可能的名字。

应用你的知识 #1:

下面这条命令会列出根目录的所有子目录:

ls -F / | grep '/'

用这条命令看看你系统上顶级目录的名字。把你看到的与 文件系统层次标准的基本布局比较一下。有哪些不同?

应用你的知识 #2:

如我们将在第 24 章讨论的,你可以用 cd 从一个目录 换到另一个目录,用 ls 列出目录的内容。例如,要切 到 /bin 目录并列出其内容,你可以用:

cd /bin; ls

探索你的系统,找出下列文件存放在哪里:

• 用户的主目录
• 通用程序(Unix 工具)
• 系统管理程序
• 特殊文件
• 配置文件
• 手册页
• 内核
• 引导系统时所需的文件

提示:你会发现 whereis 程序很有用(见第 25 章)。

应用你的知识 #3:

输入下面这条命令:

cp /dev/tty tempfile

输入几行文本,然后按 ^D。

你刚才做了什么?它是怎么起作用的?

提示:为了收拾自己留下的摊子,你应当输入下面这条命令, 删除名为 tempfile 的文件:

rm tempfile

进一步思考 #1:

Unix 用非常通用的方式定义“文件”。给出这种制度的三个 优点,再给出三个缺点。

进一步思考 #2:

至于各 Unix 系统在多大程度上必须遵循文件系统层次标准, 并没有统一的规定。有些系统相当贴近这个理想模型,有些 则差别很大。

如果要求所有 Unix 系统使用同一套基本的文件系统层次, 这是好事还是坏事? 讨论一下优点与缺点。

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