Linux C 目录流基本操作
简介
目录流是一个抽象的概念，用于表示对目录的访问状态。它类似于文件指针，但专门用于目录操作。目录流通过一个指向 DIR 结构的指针来表示，该指针由 opendir() 函数返回。从OS层面理解过程如下所示：
打开目录文件：内核会查找目录的路径，找到对应的 inode，并打开这个目录文件。
创建目录流结构：内核会为目录流分配一个内部结构（如
DIR结构），并初始化一些状态信息，例如当前读取位置、目录文件的描述符等。返回目录流指针：将目录流结构的指针返回给用户程序。
打开和关闭目录
opendir() 函数
opendir() 函数用于打开一个目录，并返回一个目录流指针。其原型如下：
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>DIR *opendir(const char *name);参数
name是目录的路径。返回值是一个指向
DIR结构的指针。如果目录成功打开，返回非空指针；如果失败，返回NULL。
其中DIR结构体如下：
struct __dirstream {void *__fd; // 文件描述符，指向目录文件char *__data; // 缓存区，存储从目录文件读取的数据int __entry_data; // 缓存区中有效数据的条目数char *__ptr; // 当前读取位置的指针int __entry_ptr; // 当前读取位置的条目索引size_t __allocation; // 缓存区分配的大小size_t __size; // 缓存区中实际数据的大小__libc_lock_define(, __lock) // 锁，用于多线程环境下的同步
};
typedef struct __dirstream DIR;closedir() 函数
closedir() 函数用于关闭目录流。其原型如下：
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>int closedir(DIR *dirp);参数
dirp是由opendir()返回的目录流指针。返回值为
0表示成功，返回-1表示失败。
读取目录
当我们打开目录文件获取到目录指针时，就可以通过指针遍历到该目录下的所有目录项。
每个目录项存储了文件的一些基本信息，由 struct dirent 结构体维护，struct dirent 的定义如下：
struct dirent {ino_t d_ino; // inode 号off_t d_off; // 当前目录项在目录文件中的位置unsigned short d_reclen; // 目录项记录长度unsigned char d_type; // 文件类型（如普通文件、目录等）char d_name[256]; // 文件名
};d_type的可选值如下：
DT_BLK This is a block device.
DT_CHR This is a character device.
DT_DIR This is a directory.
DT_FIFO This is a named pipe (FIFO).
DT_LNK This is a symbolic link.
DT_REG This is a regular file.
DT_SOCK This is a UNIX domain socket.
DT_UNKNOWN The file type could not be determined.readdir() 函数
readdir() 函数用于从目录流中读取目录项。其原型如下：
#include <dirent.h>struct dirent *readdir(DIR *dirp);参数
dirp是由opendir()返回的目录流指针。返回值是一个指向
struct dirent的指针，该结构包含目录项的信息，如文件名、文件类型等。每次调用
readdir()会返回目录中的下一个目录项，直到返回NULL，表示目录已遍历完毕。
读取当前目录下所有文件信息示例：
#define ERROR_CHECK(ret,num,msg) {if(ret == num){perror(msg); return -1;}}int main(int argc, char const *argv[])
{DIR *dirp = opendir("/home/ubuntu/test"); //打开目录ERROR_CHECK(dirp, NULL, "opendir"); //自定义宏函数，用于输出报错信息struct dirent * pdirent;while ((pdirent = readdir(dirp)) != NULL) //读取目录下所有文件信息{printf("inode = %ld, reclen = %d, type = %d, name = %s\n", pdirent->d_ino, pdirent->d_reclen, pdirent->d_type, pdirent->d_name); }closedir(dirp);return 0;
}输出如下结果：
inode = 45629913, reclen = 24, type = 4, name = .
inode = 45683356, reclen = 32, type = 8, name = test2.o
inode = 45673789, reclen = 32, type = 8, name = test3.cpp
inode = 45688999, reclen = 32, type = 8, name = test3
inode = 45648948, reclen = 32, type = 8, name = file1
inode = 45620828, reclen = 32, type = 8, name = a.out
inode = 45670364, reclen = 24, type = 8, name = test
inode = 45683251, reclen = 32, type = 8, name = test2
inode = 45659996, reclen = 32, type = 8, name = text.txt
inode = 45687412, reclen = 32, type = 8, name = test3.c
inode = 45683324, reclen = 32, type = 8, name = test2.c
inode = 45641583, reclen = 32, type = 8, name = test2.s
inode = 45658946, reclen = 32, type = 8, name = 54func.h
inode = 45744512, reclen = 32, type = 4, name = 20250531
inode = 45613058, reclen = 24, type = 4, name = ..
inode = 45663197, reclen = 32, type = 8, name = file.tar.gz
inode = 45633873, reclen = 32, type = 8, name = 1_fopen.c
inode = 45661888, reclen = 32, type = 8, name = 1_fopen
inode = 45655606, reclen = 32, type = 8, name = text1.txt记录位置
telldir() 函数
telldir 函数是 Linux 系统中用于目录操作的一个函数，它用于获取当前目录流的读取位置。这个位置可以用来后续的目录定位操作，例如通过 seekdir 函数返回到该位置。原型如下：
#include <dirent.h>long telldir(DIR *dirp);dirp：指向DIR结构的指针，表示目录流。返回值是一个
long类型的值，表示当前目录流的读取位置。如果发生错误，返回值是
-1。
当执行 telldir 获取当前目录流的读取位置。这个位置是一个内部的偏移量，用于标识目录流中当前读取的位置。这个位置可以用于后续的 seekdir 函数调用，从而可以返回到该位置继续读取目录项。
seekdir() 函数
用于设置目录流的读取位置。这个位置通常是通过 telldir 函数获取的偏移量。seekdir 函数允许程序在目录流中跳转到指定的位置，从而可以重新读取目录项或跳过某些目录项。原型如下：
#include <dirent.h>void seekdir(DIR *dirp, long loc);dirp：指向DIR结构的指针，表示目录流。这个目录流必须是通过opendir函数成功打开的。loc：一个long类型的值，表示目录流中的位置偏移量。这个值通常是通过telldir函数获取的。
通过 seekdir，程序可以在目录流中自由跳转，从而实现以下功能：
重新读取某个位置的目录项。
跳过某些目录项，直接读取后续的目录项。
注意事项
偏移量的有效性：
seekdir函数的偏移量必须是通过telldir函数获取的有效值，注意：这里返回的偏移量LOC必须用 long 类型接收。如果使用无效的偏移量，可能导致未定义行为。目录流的状态：
seekdir函数会更新目录流的内部状态，因此在调用seekdir之后，目录流的读取位置会改变。线程安全性：telldir 和
seekdir函数在多线程环境下是线程安全的，因为每个目录流都有自己的状态信息。
在之前展示目录信息的基础上，我们记录 test2 文件的位置，并在遍历完目录后重新定位到该文件上并输出信息：
#define ERROR_CHECK(ret,num,msg) {if(ret == num){perror(msg); return -1;}}int main(int argc, char const *argv[])
{DIR *dirp = opendir("/home/ubuntu/test");ERROR_CHECK(dirp, NULL, "opendir");struct dirent * pdirent;long loc = 0;while ((pdirent = readdir(dirp)) != NULL){printf("inode = %ld, reclen = %d, type = %d, name = %s\n", pdirent->d_ino, pdirent->d_reclen, pdirent->d_type, pdirent->d_name); if(strcmp("test2", pdirent->d_name) == 0){loc = telldir(dirp);}}printf("-----------------\n");seekdir(dirp, loc);pdirent = readdir(dirp);printf("inode = %ld, reclen = %d, type = %d, name = %s\n", pdirent->d_ino, pdirent->d_reclen, pdirent->d_type, pdirent->d_name);closedir(dirp);return 0;
}结果如下：
inode = 45670364, reclen = 24, type = 8, name = test
inode = 45683251, reclen = 32, type = 8, name = test2
inode = 45659996, reclen = 32, type = 8, name = text.txt
inode = 45687412, reclen = 32, type = 8, name = test3.c
inode = 45683324, reclen = 32, type = 8, name = test2.c
inode = 45641583, reclen = 32, type = 8, name = test2.s
inode = 45658946, reclen = 32, type = 8, name = 54func.h
inode = 45744512, reclen = 32, type = 4, name = 20250531
inode = 45613058, reclen = 24, type = 4, name = ..
inode = 45663197, reclen = 32, type = 8, name = file.tar.gz
inode = 45633873, reclen = 32, type = 8, name = 1_fopen.c
inode = 45661888, reclen = 32, type = 8, name = 1_fopen
inode = 45655606, reclen = 32, type = 8, name = text1.txt
-----------------
inode = 45659996, reclen = 32, type = 8, name = text.txt可以发现指针遍历到了目标文件的后一个文件,这是因为在调用readdir后，当前目录指针会自动向后偏移到下一个目录项，之后在调用telldir获取偏移量时也就指向了下一个目录的位置。所以在使用telldir记录位置时要注意这一点。
rewinddir() 函数
rewinddir 函数是 Linux 系统中用于目录操作的一个函数，它用于将目录流的读取位置重置到目录的开头。这个函数类似于文件操作中的 rewind 函数，但专门用于目录流。
#include <dirent.h>void rewinddir(DIR *dirp);dirp：指向DIR结构的指针，表示目录流。这个目录流必须是通过opendir函数成功打开的。
将目录流的读取位置重置到目录的开头。这意味着后续调用 readdir 函数时，将从目录的第一个目录项开始读取。
rewinddir 函数通常用于以下场景：
当需要重新遍历目录时，可以使用
rewinddir将目录流重置到开头。在多次遍历目录时，避免关闭和重新打开目录流，从而提高效率。
注意事项
目录流的有效性：
rewinddir函数要求目录流是通过opendir成功打开的，并且在调用rewinddir时目录流仍然有效。线程安全性：
rewinddir函数在多线程环境下是线程安全的，因为每个目录流都有自己的状态信息。跨平台性：
rewinddir函数在 POSIX 系统中是标准的，但在非 POSIX 系统中可能不可用。
补充：文件状态信息
如果我们想进一步的获取文件的详细信息，我们可以调用 stat 类函数来实现
stat() 函数
stat 函数是一个非常重要的系统调用，用于获取文件的状态信息。它提供了关于文件的详细信息，例如文件类型、大小、权限、所有者等。
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>int stat(const char *pathname, struct stat *statbuf);pathname：指向一个以空字符结尾的字符串，表示要获取状态信息的文件路径。buf：指向一个struct stat类型的指针，用于存储文件的状态信息。它是一个传入传出参数
stat 函数将文件的状态信息存储在 struct stat 结构体中。该结构体的定义如下：
struct stat {mode_t st_mode; // 文件类型和权限ino_t st_ino; // inode 编号dev_t st_dev; // 设备标识符（文件所在的设备）dev_t st_rdev; // 设备标识符（针对特殊文件）nlink_t st_nlink; // 硬链接数uid_t st_uid; // 文件所有者的用户IDgid_t st_gid; // 文件所有者的组IDoff_t st_size; // 文件大小（以字节为单位）blksize_t st_blksize; // 文件系统块大小blkcnt_t st_blocks; // 分配的块数time_t st_atime; // 最后访问时间time_t st_mtime; // 最后修改时间time_t st_ctime; // 最后状态改变时间
};st_mode：表示文件类型和权限。可以通过宏（如S_ISDIR、S_ISREG等）来判断文件类型，也可以通过位掩码（如S_IRUSR、S_IWUSR等）来查看权限。每个宏的具体含义如下所示：
S_IFBLK: block device
S_IFCHR: character device
S_IFDIR: directory
S_IFIFO: FIFO/pipe
S_IFLNK: symlink
S_IFREG: regular file
S_IFSOCK: socketst_ino：inode 编号，是文件系统中唯一标识文件的数字。st_dev和st_rdev：分别表示文件所在的设备和特殊文件的设备标识符。st_nlink：硬链接数，表示指向该 inode 的硬链接数量。st_uid和st_gid：分别表示文件所有者的用户ID和组ID。st_size：文件大小，以字节为单位。st_blksize和st_blocks：分别表示文件系统块大小和分配的块数。st_atime``、st_mtime和st_ctime：分别表示文件的最后访问时间、最后修改时间和最后状态改变时间。
如果成功，
stat函数返回 0，并将文件的状态信息存储在buf指向的结构体中。如果失败，返回 -1，并设置
errno以指示错误类型。常见的错误包括：ENOENT：文件或路径不存在。EACCES：权限不足。EFAULT：buf指针无效。
注意事项
stat函数获取的是文件的元数据，而不是文件内容本身。如果需要获取符号链接的目标文件的状态信息，可以使用
lstat函数。对于某些文件系统，某些字段（如
st_blksize或st_blocks）可能没有意义。
fstat() 函数
fstat 函数用于获取已打开文件的状态信息。它通过文件描述符来访问文件，而不是通过文件路径。
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>int fstat(int fd, struct stat *buf);参数说明
fd：文件描述符，是通过open函数或其他文件打开操作获得的。buf：指向struct stat类型的指针，用于存储文件的状态信息。
返回值
如果成功，返回 0，并将文件的状态信息存储在
buf指向的结构体中。如果失败，返回 -1，并设置
errno以指示错误类型。常见的错误包括：EBADF：无效的文件描述符。EFAULT：buf指针无效。
注意事项
fstat函数只能用于已经打开的文件，因此需要先通过open函数获取文件描述符。fstat不需要文件路径，因此在处理已打开的文件时效率更高。
lstat() 函数
lstat 函数用于获取符号链接的状态信息，而不是符号链接指向的目标文件的状态信息。如果需要获取目标文件的状态信息，应使用 stat 函数。
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>int lstat(const char *pathname, struct stat *buf);参数说明
pathname：指向一个以空字符结尾的字符串，表示符号链接的路径。buf：指向struct stat类型的指针，用于存储符号链接的状态信息。
返回值
如果成功，返回 0，并将符号链接的状态信息存储在
buf指向的结构体中。如果失败，返回 -1，并设置
errno以指示错误类型。常见的错误包括：ENOENT：文件或路径不存在。EACCES：权限不足。EFAULT：buf指针无效。
获取文件信息示例：
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>int main() {struct stat file_stat;const char *file_path = "test1.c";if (stat(file_path, &file_stat) == -1) {perror("stat");return 1;}printf("File size: %ld bytes\n", file_stat.st_size);printf("File permissions: %o\n", file_stat.st_mode & 0777);printf("Number of hard links: %ld\n", file_stat.st_nlink);printf("Owner UID: %d\n", file_stat.st_uid);printf("Owner GID: %d\n", file_stat.st_gid);return 0;
}输出结果：
File size: 509 bytes
File permissions: 664
Number of hard links: 1
Owner UID: 1000
Owner GID: 1000实战1：模拟 ls 命令实现遍历目录下所有文件相关信息
当键入 ls 命令时，可以输出当前目录或指定目录的文件信息：
drwxrwxr-x 3 ubuntu ubuntu 4096 7月 9 15:17 .
drwxrwxr-x 3 ubuntu ubuntu 4096 7月 8 22:03 ..
-rwxrwxr-x 1 ubuntu ubuntu 16312 7月 8 22:45 seekdir
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 875 7月 8 22:45 seekdir.c
-rwxrwxr-x 1 ubuntu ubuntu 16096 7月 9 15:17 stat
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 535 7月 9 15:17 stat.c
-rwxrwxr-x 1 ubuntu ubuntu 16136 7月 9 15:15 test1
-rw-rw-r-- 1 ubuntu ubuntu 509 7月 8 22:15 test1.c
drwxrwxr-x 2 ubuntu ubuntu 4096 7月 8 22:04 .vscode在实现过程中，对于文件权限部分建议逐部分按位处理，用户名和组名可以调用getpwuid和getprgid获取，时间戳可以条用time.h中的函数进行转换
实现：
int main(int argc, char const *argv[])
{ARGS_CHECK(argc, 2);DIR * dirp = opendir(argv[1]);ERROR_CHECK(dirp, NULL, "opendir");struct dirent * pdirent;char buf[256];struct stat file_stat;while ((pdirent = readdir(dirp)) != NULL){sprintf(buf, "%s%s%s", argv[1], "/", pdirent->d_name);int ret = stat(buf, &file_stat);ERROR_CHECK(ret, -1, "stat");switch (file_stat.st_mode & S_IFMT) {case S_IFBLK: printf("b"); break;case S_IFCHR: printf("c"); break;case S_IFDIR: printf("d"); break;case S_IFIFO: printf("p"); break;case S_IFLNK: printf("l"); break;case S_IFREG: printf("-"); break;case S_IFSOCK: printf("s"); break;default: printf("?"); break;}for(int i = 2; i >= 0; i--){switch((file_stat.st_mode & (7 << (i * 3))) >> (i * 3)){case 0: printf("---"); break;case 1: printf("--x"); break;case 2: printf("-w-"); break;case 3: printf("-wx"); break;case 4: printf("r--"); break;case 5: printf("r-x"); break;case 6: printf("rw-"); break;case 7: printf("rwx"); break;default: break;}}struct passwd * pwd = getpwuid(file_stat.st_uid);struct group * grp = getgrgid(file_stat.st_gid);struct tm *local_time = localtime(&file_stat.st_mtime);char time_str[80];strftime(time_str, sizeof(time_str), "%b %d %H:%m", local_time);printf(" %ld %s %s %ld %s %s\n",file_stat.st_nlink,pwd->pw_name,grp->gr_name,file_stat.st_size,time_str,pdirent->d_name);} closedir(dirp);return 0;
}
实现效果：
实战2：模拟tree命令列出指定目录的层次结构
int tree(const char *path, int level){DIR * dirp = opendir(path);ERROR_CHECK(dirp, NULL, "opendir");struct dirent * pdirent;while((pdirent = readdir(dirp)) != NULL){for(int i = 0; i < level; i++) printf(" ");printf("%s\n",pdirent->d_name);if(pdirent->d_type == DT_DIR && strcmp(pdirent->d_name,".") != 0 && strcmp(pdirent->d_name,"..") != 0){char newpath[1024];sprintf(newpath,"%s%s%s",path,"/",pdirent->d_name);tree(newpath, level+1);}}closedir(dirp);
}
int main(int argc, char const *argv[])
{ARGS_CHECK(argc, 2);tree(argv[1], 0);return 0;
}实现效果：
(base) ubuntu@ubuntu:~/MyProject/Linux/dir$ ./tree .
.
stat
ls.c
stat.c
testdir.hello..
.vscode.settings.json..
test1.c
test1
..
tree
ls
seekdir.c
tree.c
seekdir