三、编写ls命令

1. 阅读联机帮助

列出有关文件的信息（默认为当前目录）。如果未指定 -cftuvSUX 或 --sort，则按字母顺序对条目进行排序。

可以看到，ls命令 能够找出当前目录中所有文件的文件名，按字典序排序后输出。

ls命令 还能显示其他信息，如果加上 -l 选项，ls 会列出每个文件的详细信息，也叫 ls的长格式，在 man手册 中可以看到：

使用长列表格式

现在在我们的终端键入命令：

通过实验和联机帮助可以知道 ls 做了以下两件事（ls 能判定参数指定的是文件还是目录）：

• 列出目录的内容
• 显示文件的信息

在正式开始之前，来看一下 Unix 是如何组织磁盘上的文件的。

大方框表示目录，大方框内的小方框表示文件，目录之间的连线表示目录之间的组织关系。

2. ls是如何工作的

通过联机帮助（过程省略）可以知道，从目录读数据与从文件读数据是类似的， opendir 打开一个目录，readdir 返回目录中的当前项，closedir 关闭一个目录，seekdir、telldir、rewinddir与 lseek 的功能类似。

接下来用 man手册 查询一下 readdir(3) ，可以看到：

readdir() 函数返回一个指向 dirent 结构的指针，该结构表示 dirp 指向的目录流中的下一个目录条目。它在到达目录流末尾或发生错误时返回 NULL。

也就是说， readdir() 来读取 struct dirent获得目录中的记录。

3. 如何编写ls

最初级的ls命令

下面实现了一个最初级的 ls命令

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <dirent.h>     // opendir() readdir() closedir()

void do_ls(char*);

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc == 1) {
        do_ls(".");
    }
    else {
        while (--argc) {
            printf("%s:\n", *(++argv));
            do_ls(*argv);
        }
    }
    
    return 0;
}

void do_ls(char dirname[]) {
    DIR* dir_ptr;       // 记录opendir()后的返回值
    struct dirent* direntp; // 记录readdir()后的返回值

    if ((dir_ptr = opendir(dirname)) == NULL) {
        fprintf(stderr, "ls1: cannot open %s\n", dirname);
    }
    else {
        while ((direntp = readdir(dir_ptr)) != NULL) {
            printf("%s\n", direntp->d_name);
        }
        closedir(dir_ptr);
    }
}

运行结果：

4. 改进ls命令

加入以下功能：

1. 排序
   解决办法：把所有的文件名读入一个数组，用qsort函数排序

2. 分栏：标准的 ls 输出是分栏排列的，有些以行排列，有些以列排列
   解决办法：把文件名读入数组，然后计算出列的宽度和行数

3. “.”文件：ls 列出了 “.”文件，而标准的 ls只有在给出 -a 选项时才会列出
   解决办法：使 ls1 能够接收选项 -a，并在没有 -a 的时候不显示隐藏文件

4. 选项 -l：如果选项中有 -l，标准的 ls会列出文件的详细信息，而 ls1不会
   解决办法： 下面讨论

5. ls -l 是如何工作的

下面我们将把 ls -l 拆分成几个小组件逐一分析并实现：

1. 用 stat 得到文件信息

根据 man手册 所提供的信息，再去查询 fstatat，可以看到如下的信息：

下面写一个程序将以上我们需要的属性显示出来：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

void show_stat_info(char* fname, struct stat* buf);

int main(int argc, char* argv[]) {
    struct stat info;

    if (argc > 1) {
        if (stat(argv[1], &info) != -1) {
            show_stat_info(argv[1], &info);
            return 0;
        }
        else {
            perror(argv[1]);
        }     
    }
    
    return 0;
}

void show_stat_info(char* fname, struct stat* buf) {
    printf("   mode: %o\n", buf->st_mode);
    printf("  links: %d\n", buf->st_nlink);
    printf("   user: %d\n", buf->st_uid);
    printf("  group: %d\n", buf->st_gid);
    printf("   size: %d\n", buf->st_size);
    printf("modtime: %d\n", buf->st_mtim.tv_sec);
    printf("   name: %s\n", fname);
}

运行结果：

对比可以看到，链接数、文件大小 的显示都没问题，最后修改时间是 time_t 类型，用 ctime 将其转换为字符串也可以解决。

为了进一步完善 ls -l ，我们需要进一步处理 模式、用户名和组 的显示

2. 将模式字段转换成字符

st_mode 是一个16位的二进制数，文件类型和权限被编码在这个数中，如图所示：

• 其中前 4 位用作文件类型，最多可以标识 16 种类型，1 代表具有某个属性，0 代表没有，目前已经使用了其中的 7 个
• 接下来的 3 位是文件的特殊属性，1 代表具有某个属性，0 表示没有，这 3 位分别是 set-user-ID位、set-group-ID位 和 sticky位
• 最后的 9 位是许可权限，分为 3 组，对应 3 种用户，它们是文件所有者、同组用户和其他用户。
  每组 3 位，分别是读、写和执行的权限（相应的地方如果是 1，就说明该用户拥有对应的权限，0 代表没有）

如何读取被编码的值？

利用 子域编码 与 掩码 的技术。

对 2 进制进行位与操作，即我们所说的解码。判断目录代码：

if((info.st_mode & 0170000) == 0040000) {
    printf("this is a directory");
}

通过掩码把其他无关的部分置为 0，再与表示目录的代码比较，从而判断这是否是一个目录。

更简单的方法是用 #include <sys/stat.h> 中的宏代替上述代码：

#define S_ISFIFO(m)  (((m)&(0170000)) == (0010000))
#define S_ISDIR(m) (((m)&(0170000)) == (0040000))
#define S_ISCHR(m) (((m)&(0170000)) == (0020000))
#define S_ISBLK(m) (((m)&(0170000)) == (0060000))
#define S_ISREG(m) (((m)&(0170000)) == (0100000))

使用宏后就这样写代码：

if(S_ISDIR(info.st_mode)) {
    printf("this is a directory");
}

下面实现将模式字段转换为字符

#include <sys/stat.h>

void mode_to_letters(int mode, char str[]) {
    strcpy(str,"----------");

    if(S_ISDIR(mode)) str[0]='d';
    if(S_ISCHR(mode)) str[0]='c';
    if(S_ISBLK(mode)) str[0]='b';

    if(mode & S_IRUSR) str[1]='r';
    if(mode & S_IWUSR) str[2]='w';
    if(mode & S_IXUSR) str[3]='x';

    if(mode & S_IRGRP) str[4]='r';
    if(mode & S_IWGRP) str[5]='w';
    if(mode & S_IXGRP) str[6]='x';


    if(mode & S_IROTH) str[7]='r';
    if(mode & S_IWOTH) str[8]='w';
    if(mode & S_IXOTH) str[9]='X';
}

现在还剩下最后一个要解决的问题，文件所有者(user) 和 组(group) 的表示

3. 将用户/组 ID转换成字符串

用户

这里需要用到库函数 getpwuid() 来访问用户列表，getpwuid 需要 UID(user ID)作为参数，返回一个指向 struct passwd 的指针，这个结构定义在 /usr/include/pwd.h 中，通过 man手册查询 getpwuid 可以看到：

继续往下翻，

结构体 struct passwd 正是 ls -l 所需要的信息，实现代码：

#include <pwd.h>

char* uid_to_name(uid_t uid) {
    return getpwuid(uid)->pw_name;
}

这段代码很简单，但不够健壮，如果 uid 不是一个合法的用户 ID，那 getpwuid 返回空指针 NULL，这时 getpwuid(uid)->pw_name 失去了意义。

常用的 ls命令 有一种处理这种情况的办法。（这里不做讨论）

组

文件 /etc/group 是一个保存所有的组信息的文本文件。在网络计算系统中，组信息也被保存在 NIS 中。（另外，前面讨论的 用户的信息 保存在 NIS 中）

Unix 系统提供 getgrgid() 函数来访问组列表，通过 man手册查询 getgrgid 可以看到：

继续往下翻，

实现代码：

#include <grp.h>

char* gid_to_name(gid_t gid) {
    return getgrgid(gid)->gr_name;
}

6. 如何编写 ls -l

通过上面的分析，下面实现最终的代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>   // mode_to_letters() show_stat_info()
#include <dirent.h>     // opendir() readdir() closedir()
#include <pwd.h>        // getpwuid()
#include <grp.h>        // getgrgid()
#include <string.h>     // strcpy()
#include <time.h>		// ctime()

void do_ls(char dirname[]);
void dostat(char* filename);
void show_file_info(char* fname, struct stat* buf);
// void mode_to_letters(int mode, char str[]);
char* uid_to_name(uid_t uid);
char* gid_to_name(gid_t gid);

int main(int argc, char* argv[]) {
    if (argc == 1) {
        do_ls(".");
    }
    else {
        while (--argc) {
            printf("%s:\n", *(++argv));
            do_ls(*argv);
        }
    }
    
    return 0;
}


void do_ls(char dirname[]) {
    DIR* dir_ptr;       // 记录opendir()后的返回值
    struct dirent* direntp; // 记录readdir()后的返回值

    if ((dir_ptr = opendir(dirname)) == NULL) {
        fprintf(stderr, "ls1: cannot open %s\n", dirname);
    }
    else {
        while ((direntp = readdir(dir_ptr)) != NULL) {
            // printf("%s\n", direntp->d_name);
            dostat(direntp->d_name);
        }
        closedir(dir_ptr);
    }
}

void dostat(char* filename) {
    struct stat info;       // 存储filename的信息
    if (stat(filename, &info) == -1) {
        perror(filename);
    }
    else {
        show_file_info(filename, &info);
    }
}

void show_file_info(char* filename, struct stat* info_p) {
    // char* uid_t_name(), *ctime(), *gid_to_name();
    
    void mode_to_letters();
    char modestr[11];

    mode_to_letters(info_p->st_mode, modestr);  // 将模式字段转换成字符

    printf("%s", modestr);
    printf("%4d", (int)info_p->st_nlink);
    printf(" %-10s", uid_to_name(info_p->st_uid));   // 将用户ID转换成字符串
    printf("%-10s", gid_to_name(info_p->st_gid));   // 将组ID转换成字符串
    printf("%8ld", (long)info_p->st_size);
    printf("%.12s", 4 + ctime(&info_p->st_mtim.tv_sec));    // 通过ctime()函数转换时间，之前的who命令有用到
    printf(" %s\n", filename);
}

// 将模式字段转换成字符
void mode_to_letters(int mode, char str[]) {
    strcpy(str,"----------");
    // 用到了 子域编码 与 掩码 的技术
    if(S_ISDIR(mode)) str[0]='d';
    if(S_ISCHR(mode)) str[0]='c';
    if(S_ISBLK(mode)) str[0]='b';

    if(mode & S_IRUSR) str[1]='r';
    if(mode & S_IWUSR) str[2]='w';
    if(mode & S_IXUSR) str[3]='x';

    if(mode & S_IRGRP) str[4]='r';
    if(mode & S_IWGRP) str[5]='w';
    if(mode & S_IXGRP) str[6]='x';

    if(mode & S_IROTH) str[7]='r';
    if(mode & S_IWOTH) str[8]='w';
    if(mode & S_IXOTH) str[9]='X';
}

// 将用户ID转换成字符串
char* uid_to_name(uid_t uid) {
    // struct passwd* getpwuid(), *pw_ptr;
    struct passwd* pw_ptr;
    static char numstr[10];

    if ((pw_ptr = getpwuid(uid)) == NULL) {
        sprintf(numstr, "%d", uid);
        return numstr;
    }
    else {
        return pw_ptr->pw_name;
    }
}

// 将组ID转换成字符串
char* gid_to_name(gid_t gid) {
    // struct group* getgrgid(), *grp_str;
    struct group* grp_str;
    static char numstr[10];

    if ((grp_str = getgrgid(gid)) == NULL) {
        sprintf(numstr, "%d", gid);
        return numstr;
    }
    else {
        return grp_str->gr_name;
    }
}

运行结果：

我们自己编写的 ls2 对比 系统提供的 ls -l 效果已经很不错了，模式字段、用户名和组名的处理均已完成。剩下的 隐藏 “.”，显示记录总数等功能暂时不再讨论。