Linux系统编程【2】——编写who命令

通过实现who命令，学习用来man获取信息，探究基于文件编程中c库函数与系统调用函数的区别，并利用缓冲技术优化程序

学到的知识点

通过实现who命令，学到了：

• 1.使用man命令寻找相关信息
• 2.基于文件编程
• 3.体会到c库函数与系统调用的不同
• 4.加深对缓冲技术的理解

who命令的作用

who命令的使用

在控制终端输入：

man who

结果如下图所示

可以看出，who命令的使用很简单，直接在终端输入:

who

作用就是显示当前登录的用户信息。

who命令的显示结果含义

第一列表示已登录用户，第二列表示终端名，第三列表示登录时间，第四列表示用户的登录地址。

如何实现who命令

逆向推导

定位文件

who命令的运行结果有四列，那么只要找到存储这些信息的地方，把它们从其中拿出来显示就可以了。

那么如何找到这些信息的存放位置呢？还是通过 man who命令，找到file相关的信息：

这样就找到了所需的数据在"/var/run/utmp"或者"/var/log/wtmp"这两个文件夹中

查看文件内容

顺藤摸瓜，直接去"/var/run/utmp"看一下，看里面的数据有哪些。于是笔者输入

more /var/run/utmp

但是只输出几行空白内容：

同样的，笔者又输入

more /var/log/wtmp

这次除了空白内容，还输出部分字符：

这些输出的内容并非想象的那样，但可以肯定的是，这两个文件里面一定有内容，不然who命令那些字段也会为空。那么出现这种情况，可能与文件格式有关。接着笔者利用file命令来查看文件属性：

这两个文件都是DBT类型的文件，与常规的ASCII text文件不同，所以没法正常显示。

笔者又尝试使用vim /var/run/utmp命令来查看，结果如下：

同理，使用vim /var/log/wtmp命令查看，结果如下：

这次虽然其中有大部分看不懂的符号，但显示出了一些有用的信息。如：用户名、终端。从两个文件显示的内容多少和其中的字段信息，能够看出：

• /var/run/utmp存储的是当前登录的用户信息
• /var/log/wtmp存储的是历史登录用户信息

虽然笔者还未找到能够正常显示该文件类型的命令，但是通过vim也能够看个大概。因为要获得当前登录用户信息，所以接下来就只需研究"/var/run/utmp"这个文件了。

摸清文件结构

那么现在的问题就是，如何读取文件内容。在之前笔者已经试过了，采用more命令无法正常读取并显示。为此，笔者又使用自己编写的more02命令（见Linux系统编程【1】——编写more命令），在不同的地方加入输出语句，来定位问题所在。

more02的主体流程是：

用fopen打开文件，返回文件指针fp ----> 用fgets获得fp指向的文件内容，存入字符数组line ---> 用fputs字符数组line中字符显示到屏幕上。

fopen函数能正常打开"/var/run/utmp"，fp指向的缓存内容也和ls -al列出来的文件大小一致。而fgets得到的都是空内容。换成getc也是同样如此。

为了弄清楚fgets和getc这两个函数，输入：man fgets查看

即fgets和getc在遇到文件结束符或者发生错误时返回NULL 或 EOF。综合之前vim中显示的内容，可以猜测fgets或getc在读取"var/run/utmp"的fp缓存内容时遇到非法字符，导致读取失败。

既然不能将其按照文本流的形式处理，那么就需要搞清楚文件的存储结构。为了获得更多的信息，输入

man utmp

从帮助手册中可以看到,utmp时一个结构体，"/var/run/utmp"中存储的就是这个结构体，utmp结构体定义如下：

//引用自linux源代码    #define EMPTY         0  /* Record does not contain valid info(formerly known as UT_UNKNOWN on Linux) */            #define RUN_LVL       1  /* Change in system run-level (see init(8)) */            #define BOOT_TIME     2  /* Time of system boot (in ut_tv) */            #define NEW_TIME      3  /* Time after system clock change(in ut_tv) */            #define OLD_TIME      4  /* Time before system clock change(in ut_tv) */            #define INIT_PROCESS  5  /* Process spawned by init(8) */            #define LOGIN_PROCESS 6  /* Session leader process for user login */            #define USER_PROCESS  7  /* Normal process */            #define DEAD_PROCESS  8  /* Terminated process */            #define ACCOUNTING    9  /* Not implemented */            #define UT_LINESIZE      32            #define UT_NAMESIZE      32            #define UT_HOSTSIZE     256            struct exit_status {              /* Type for ut_exit, below */                short int e_termination;      /* Process termination status */                short int e_exit;             /* Process exit status */            };      struct utmp {                short   ut_type;              /* Type of record */                pid_t   ut_pid;               /* PID of login process */                char    ut_line[UT_LINESIZE]; /* Device name of tty - "/dev/" */                char    ut_id[4];             /* Terminal name suffix,or inittab(5) ID */                char    ut_user[UT_NAMESIZE]; /* Username */                char    ut_host[UT_HOSTSIZE]; /* Hostname for remote login, or kernel version for run-level messages */                struct  exit_status ut_exit;  /* Exit status of a process marked as DEAD_PROCESS; not used by Linux init (1 */                /* The ut_session and ut_tv fields must be the same size when                   compiled 32- and 64-bit.  This allows data files and shared                   memory to be shared between 32- and 64-bit applications. */            #if __WORDSIZE == 64 && defined __WORDSIZE_COMPAT32                int32_t ut_session;           /* Session ID (getsid(2)),used for windowing */                struct {                    int32_t tv_sec;           /* Seconds */                    int32_t tv_usec;          /* Microseconds */                } ut_tv;                      /* Time entry was made */            #else                 long   ut_session;           /* Session ID */                 struct timeval ut_tv;        /* Time entry was made */            #endif                int32_t ut_addr_v6[4];        /* Internet address of remote host; IPv4 address uses just ut_addr_v6[0] */                char __unused[20];            /* Reserved for future use */            }; /* Backward compatibility hacks */            #define ut_name ut_user            #ifndef _NO_UT_TIME            #define ut_time ut_tv.tv_sec            #endif            #define ut_xtime ut_tv.tv_sec            #define ut_addr ut_addr_v6[0]

我们需要的就是utmp结构体中的ut_name（登录的用户名）、ut_line（登录终端）、ut_time（登录时间）、ut_host（登录地址）。至此，已经了解"/var/run/utmp"文件结构。

打开并读取"/var/run/utmp"

利用open、read、close这三个系统调用分别完成文件的打开、读取和关闭。这几个命令和之前实现的more02所需的函数fopen、fgets、fclose看起来很相似，那么为什么不直接使用之前的这几个呢？

带着这个疑问，笔者查看了这几个函数的函数原型，得出了它们之间的不同之处。

open/fopen,read/fgets,close/fclose找不同

参考：
https://blog.51cto.com/u_4042309/3598442

open

int open(const char *path, int access,int mode) /*    path 要打开的文件路径和名称 *     access 访问模式，宏定义和含义如下： *     O_RDONLY         1    只读打开 *     O_WRONLY         2    只写打开 *     O_RDWR           4    读写打开 */

fopen

FILE *fopen(char *filename, char *mode) /*    filename 文件名称 *     mode 打开模式： *        r   只读方式打开一个文本文件 *        rb  只读方式打开一个二进制文件 *        w   只写方式打开一个文本文件 *        wb  只写方式打开一个二进制文件 *        a   追加方式打开一个文本文件 *        ab  追加方式打开一个二进制文件 *        r+  可读可写方式打开一个文本文件 *        rb+ 可读可写方式打开一个二进制文件 *        w+  可读可写方式创建一个文本文件 *        wb+ 可读可写方式生成一个二进制文件 *        a+  可读可写追加方式打开一个文本文件 *        ab+ 可读可写方式追加一个二进制文件 */

open与fopen的不同

• 1、缓冲文件系统与非缓冲系统的区别

• 缓冲文件系统(fopen) ：在内存为每个文件开辟一个缓存区，当执行读操作，从磁盘文件将数据读入内存缓冲区，装满后从内存缓冲区依次读取数据。写操作同理。内存缓冲区的大小影响着实际操作外存的次数，缓冲区越大，操作外存的次数越少，执行速度快，效率高。缓冲区大小由机器而定。借助文件结构体指针对文件管理，可读写字符串、格式化数据、二进制数据。

• 非缓冲文件系统(open)：依赖操作系统功能对文件读写，不设文件结构体指针，只能读写二进制文件。

• open无缓冲，fopen有缓冲

• 2、open属于低级IO，fopen属于高级IO。

• 3、open返回文件描述符，属于用户态，读写需进行用户态与内核态切换。fopen返回文件指针。

• 4、open是系统函数，不可移植。fopen是标准C函数，可移植。

• 5、一般用fopen打开普通文件，open打开设备文件。

• 6、 如果顺序访问文件，fopen比open快。如果随机访问文件，open比fopen快。

read

ssize_t read(int fd,void *buf,size_t nbyte) /*参数： * fd 文件描述符 * buf 用来存放数据的目的缓冲区 * qty 要读取的字节数 * *返回值： * -1  遇到错误 * numread 成功读取 */

fgets

char * fgets ( char * str, int num, FILE * stream ) /*参数： * str 用来存放数据的目的缓冲区 * num 要读取的字节数 * stream 被读取的文件的文件指针 */

read和fgets的不同

• read函数是负责从fd中读取最多nbytes个字节到buf，在读取数据时会将最后的回车(\n)同时读入到buf中，但是 不会在后面加上字符串结束符(\0)。成功时,read返回实际所读的字节数,如果返回的值是0,表示已经读到文件的结束了.若返回负值（通常为-1）表示发生了错误。

• fgets负责从stream（通常是文件或者标准输入stdin）中读取num个字符到str中，在读取数据时会将最后的回车(\n)同时读入到buf中，并且会在后面加上字符串结束符(\0)。成功返回非空指针，失败返回空指针。

close

int close(int fd); /*参数： * fd 文件描述符 * *返回值： -1 遇到错误 0 成功关闭 */

fclose

int fclose(FILE *stream); /*参数： * stream 文件流，即文件指针 * *返回值： 0 成功关闭 -1 遇到错误 */

close和fclose的不同

• close()是与文件描述符相关的函数。在open()的帮助下打开文件并将描述符赋值给int fd。使用close()关闭打开的文件。

• fclose()是与文件流相关的函数。在fopen()的帮助下打开文件并将流分配给FILE * ptr。使用fclose()关闭打开的文件。

文件指针和文件描述符的联系

相对底层的系统调用，如open函数，返回的是一个文件描述符。而相对高层的c库函数，如fopen，返回的是一个文件指针。

这两者的主要联系在于：文件指针指向的FILE结构体中，就包含了文件描述符，还包含对于缓冲和I/O的管理，是对文件描述符的包装。

小结

上述三对函数每对之间共有的不同就是，一个是系统调用，一个是封装好的c库函数，前者不可移植，后者可移植。这也符合越底层越不可移植，越高层越抽象越可移植的观点。

经过比对之后，笔者发现出问题的地方就在于fgets用来接收读取的内容是字符指针类型，并且其在最后会自动加上'\0'，这就可能导致无法正常的读取结构体内容。所以使用更纯粹的read函数（读取时不会在后面加'\0'，并且接收读取的内容是void类型指针），利用read函数能够完成自定义更高的操作，更灵活。

于是，确定实现who的流程便是：

step1.用open函数打开"/var/run/utmp",获得文件描述符utmpfd

step2.依据utmpfd，用read函数读取文件内容到一个utmp结构体指针

step3.打印出读取的utmp结构体指针指向的结构体中的所需参数

step4.用close函数关闭打开的"/var/run/utmp"文件

初级实现代码

//who01.c /* copyright@lularible *  2021/02/04 */ #include#include#include#include#include#include//辅助函数声明 void show_info(struct utmp*); void showtime(long); int main() {     struct utmp current_record; //定义utmp结构体     int utmpfd; //定义文件描述符     int reclen = sizeof(current_record);//获得utmp结构体大小 //打开文件的错误处理     if((utmpfd = open(UTMP_FILE,O_RDONLY)) == -1){         perror(UTMP_FILE);         exit(1);     } //读取文件内容并打印     while(read(utmpfd,&current_record,reclen) == reclen){         show_info(&current_record);     }     close(utmpfd);     return 0; } //打印读取到的结构体数据 void show_info(struct utmp* utbufp) { //当目前记录不是用户信息时，舍弃     if(utbufp->ut_type != USER_PROCESS){ return; } //打印用户名     printf("%-10.10s",utbufp->ut_name);     printf(" "); //打印用户登录终端     printf("%-10.10s",utbufp->ut_line);     printf(" "); //打印用户登录时间     showtime((long)utbufp->ut_time); //打印用户登录地址 if(utbufp->ut_host[0] != '\0'){ printf("(%s)",utbufp->ut_host); }     printf("\n"); } //完成时间转换并打印 void showtime(long timeval) {     char *cp;     cp = ctime(&timeval);     printf("%24.24s",cp); }

优化who命令

在学习操作系统课程时，第一章就接触到了“系统调用”这个概念。系统调用是在用户态下调用“系统调用函数”，转为“内核态”去执行这个函数，然后将结果返回给用户态。这就需要完成“用户态”到“内核态”再到“用户态”之间切换。这种切换过程需要完成状态保存、参数压栈、寄存器切换等等操作，比较费事（但为了系统的安全稳定性，不得不这样进行状态划分）。

而我们的这个who01程序，运行次数最多的系统调用就是read函数（登录的用户记录可能有很多条，需要多次调用read读取），关键点就在于一次只读取了一个utmp结构体大小的数据。如果一次能够读取多条结构体数据，缓存起来，然后从缓冲中拿就行，缓冲中拿完了再调用read，这样就能减少系统调用次数，提高程序效率。

需要做的很简单，直接在read那一部分下手，修改后的代码如下：

//who2.c /* copyright@lularible *  2021/02/04 */ #include#include#include#include#include#include//定义缓冲区大小 #define ITEMS 8 //辅助函数声明 void show_info(struct utmp*); void showtime(long); int main() {     struct utmp current_record; //utmp结构体 struct utmp* next_record; //缓冲区中下一个要拿的结构体     int utmpfd; //文件描述符 int records_size = 0; //read一次读取的内容大小     int records_cnt = 0; //read一次读取的结构体个数     int reclen = sizeof(current_record);//获得utmp结构体大小 char utmpbuf[reclen * ITEMS]; //缓冲区 //打开文件的错误处理     if((utmpfd = open(UTMP_FILE,O_RDONLY)) == -1){         perror(UTMP_FILE);         exit(1);     } //读取文件内容并打印     while(read(utmpfd,&current_record,reclen) == reclen){         records_cnt = records_size / reclen; //一次读取了多少个utmp结构体 int i = 0; //从缓冲区中拿数据并打印 for(i = 0;i < records_cnt;++i){ next_record = (struct utmp*) &utmpbuf[i * reclen];     show_info(next_record); }     }     close(utmpfd);     return 0; } //打印读取到的结构体数据 void show_info(struct utmp* utbufp) { //当目前记录不是用户信息时，舍弃     if(utbufp->ut_type != USER_PROCESS){ return; } //打印用户名     printf("%-10.10s",utbufp->ut_name);     printf(" "); //打印用户登录终端     printf("%-10.10s",utbufp->ut_line);     printf(" "); //打印用户登录时间     showtime((long)utbufp->ut_time); //打印用户登录地址 if(utbufp->ut_host[0] != '\0'){ printf("(%s)",utbufp->ut_host); }     printf("\n"); } //完成时间转换并打印 void showtime(long timeval) {     char *cp;     cp = ctime(&timeval);     printf("%24.24s",cp); }

总结

其实在fopen函数中，就已经采用了缓冲技术来减少系统调用，用fread函数读取并打印能起到同样的效果。这次利用open、read、close这几个系统调用函数，手动加上缓冲，加深了对系统调用和缓冲技术的了解，同时也更有趣味性（当然熟悉了以后，还是调更高层的API舒服）。

参考资料

《Understanding Unix/Linux Programming A Guide to Theory and Practice》

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