用于管理文件方法和数据结构案例分析

本文导读

文件系统是在存储设备中（SD Card、NAND Flash…）组织文件的方法和数据结构，用于管理文件。AWorks定义了文件系统的通用接口，例如，打开、读/写、关闭文件等等。文件系统的具体实现可以自由选择，例如，FAT、UFFS、YAFFS2 等等。

本文为《面向AWorks框架和接口的编程》第三部分软件篇——第11章文件系统——第1~5小节：文件系统简介、设备挂载管理、文件基本操作、目录基本操作和微型数据库。

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文件系统是用于管理文件的方法和数据结构，文件和文件系统相关的数据存储在实际的物理介质中，例如，NAND FLASH，Nor FLASH或SD Card等。AWorks定义了文件系统的通用接口，无论底层使用何种文件系统，比如常见的FAT16/32、UFFS或YAFFS2等,均可使用同一套接口进行文件相关的操作。

11.1  文件系统简介

在文件系统中，存储数据的基本单位是文件，即数据是按照一个一个文件的方式进行组织的。当文件较多时，将导致文件繁多、不易分类、重名等问题，为此，在文件的基础上，提出了目录的概念，相当于Windows系统中的文件夹，一个目录中，可以包含多个文件。特别地，一个目录中，除包含文件外，还可以包含子目录，子目录可以继续包含子目录。最上层的目录被称为根目录，示意图详见图11.1。

图11.1 目录结构示意图

图中的目录名和文件名仅用作示例，与实际系统的目录树结构并不存在任何关联。在AWorks中，根目录使用斜杠（即："/"）表示，应注意与反斜杠（即：""）进行区分，不可混用。存于根目录中的文件，其完整路径直接使用“斜杠 + 文件名”的形式表示，如图11.1中的test1.txt文件，其路径为"/test1.txt"，若一个文件所在目录不是根目录时，则多个目录之间要使用斜杠（即："/"）分隔，比如，test5.txt文件对应的完整路径应表示为"/usr/base/test5.txt"。

AWorks中分隔符使用"/"，这与UNIX/Linux的风格是完全相同的，而与Windows则不相同，Windows中使用反斜杠""作为分隔符。

11.2   设备挂载管理

在图11.1中，为用户展示了一个目录树结构，图中的每个文件都存放在相应的目录中，目录是一个虚拟的逻辑概念，便于用户按照逻辑路径访问各个文件。而实质上，文件数据是存放在物理存储介质中的，例如，NAND FLASH，Nor FLASH或SD Card等。为此，就需要在系统中将目录与某一物理存储介质相关联，用户存放在某一目录下的文件都自动保存到对应的物理存储介质中，这种关联操作可以通过“设备挂载”来实现。“设备挂载”用于将物理存储介质挂载到某一目录，使该物理存储介质与该目录对应，后续所有在该目录下的文件（或子目录）实际上都存储到了与之对应的存储介质中。

在一个系统中，往往存在多种存储介质，例如，NAND FLASH，SD Card或外接的U盘等，无论存在多少存储介质，对于用户来讲，其都是使用图11.1所示的一个目录树来进行文件的管理，根目录只会有一个，不会因为具有多个存储介质而产生多个根目录。

实际应用中，为了方便管理，可以进行更细的划分，将一个硬件存储介质分成多个区，此时，每个分区可以看作一个独立的存储介质，挂载到某一目录。例如，一个SD卡的容量是2G，可以分成大小不同的4个分区，例如，SD_S0（1G）、SD_S1（512M）、SD_S2（256M）、SD_S3（256M）。此时，4个分区可以当作4个独立的存储介质，分别挂载到不同的目录。

对于一个物理存储介质，需要使用某一具体的文件系统对其中的文件数据进行管理，比如常见的FAT16/32、UFFS或YAFFS2等，它们各有优缺点，针对特定的存储介质，可以选择合适的文件系统。如FAT16/32常用于U盘、SD卡中，UFFS和YAFFS2常用于NAND FLASH中。同一系统中，不同的物理存储介质可以使用不同的文件系统。一般来讲，初次使用某一硬件存储介质时，需要进行格式化操作，指定使用的文件系统，存储一些与文件系统相关的初始数据。格式化后，才可将该设备挂载到目录树中。通常情况下，存储设备掉电不会丢失数据，因此，格式化操作仅需执行一次，不需要每次上电都执行。

AWorks提供了抽象的文件系统接口和框架，即使系统中不同存储介质使用了不同的文件系统，对于用户来讲，仍然可以使用相同的接口进行文件相关的操作。

AWorks提供了管理硬件存储设备的接口，相关接口的函数原型详见表11.1。

表11.1 存储设备管理相关接口（fs/aw_mount.h）

1.  格式化存储设备

格式化存储设备，以指定使用的文件系统，并存储一些与文件系统相关的初始数据。其函数原型为：

其中，dev_name为存储设备的名字，fs_name为使用的文件系统的名字，fmt_arg为格式化相关的附加信息。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时，表示格式化成功，否则，表示格式化失败，可能是由于硬件设备不存在或文件系统不支持造成的。

存储设备的名字与具体的物理存储介质相关。例如，常见的SD卡设备，其对应的设备名为：/dev/sdx，其中，x为SD卡所处的SDIO总线序号，比如：0、1、2等。为便于叙述，这里将SD卡和TF卡统称为SD卡存储设备，SD卡就是常见的大卡，常用于相机中，如图11.2(a)所示。

TF卡又称Micro SD卡，体积比SD卡小，很多手机都配备了TF卡接口，用于扩展存储容量，如图11.2(b)所示。除了体积大小的区别外，SD卡在左侧还有一个LOCK开关，用于锁定SD卡，从硬件上开启写保护，避免数据损坏。

图11.2 SD卡与TF卡

在i.MX28x硬件平台中，仅在SDIO0总线上设置了一个TF卡卡槽，因而仅能插入一张TF卡，不能插入SD卡。若正确插入了TF卡，则该TF卡对应的设备名为"/dev/sd0"。为便于验证后续程序，读者可以准备一张TF卡。

除使用TF卡外，还可以使用U盘进行测试，在i.MX28x平台中设置了USB接口，默认情况下，USB HOST1接口用于外接USB设备，USB HOST0接口用于外接USB主机，将自身模拟为一个USB设备。可以通过USB HOST1接口外接U盘，U盘在系统中对应的存储设备名为"/dev/ms0-ud0"。

在编程上，不同的物理存储设备仅仅是设备名发生了变化，没有其它任何区别，U盘和TF卡的具体细节差异用户无需关心。为便于叙述，后文统一使用TF卡存储设备进行举例说明，若读者使用的是U盘，仅需将范例程序中出现的TF卡设备名修改为"/dev/ms0-ud0"。

fs_name为文件系统的名字，比如："vfat"、"uffs"、"yaffs"等，其代表了此硬件设备使用的具体文件系统。如使用FAT，则文件系统名为"vfat"，其会自动根据存储器特性选择使用合适的FAT文件系统：FAT12、FAT16或FAT32。

fmt_arg为格式化相关的信息，不同文件系统使用的信息可能会不同，其类型struct aw_fs_format_arg （fs/aw_fs_type.h）定义如下：

对于FAT文件系统， 其管理的一个存储设备或分区称之为“卷”（volume），vol_name即为该卷指定一个卷名，当前系统中，卷名仅作标识，未用作其它特殊用途，可任意指定一个合理的名字，比如："awdisk"。

在FAT文件系统中，存储设备是以“分配单元”（allocation unit）为单位进行数据管理的， unit_size指定了每个分配单元的大小，分配单元在FAT中又被称为“簇”（cluster）。

在允许范围内，分配单元大小设置越大，读写速度越快，反之则越慢。但是，需要注意的是，分配单元越大，也越有可能造成空间的浪费，因为即便一个文件的大小远远小于分配单元大小，也会占用一个完整的分配单元。unit_size必须为硬件存储设备扇区大小（通常固定为512）的整数倍，且倍数必须是2的幂，比如：1、2、4、8等，可以将unit_size设置为4096（512×8），通常情况下，unit_size的有效范围为：512 ~ 32768。为了便于使用，避免设置错误，也可以将该值设置为0，系统将自动根据存储器容量选择一个合适的值。

FAT文件系统又可以细分为FAT12、FAT16、FAT32，它们最明显的区别就是对分配单元进行寻址的位数不同，分别为12位、16位、32位。例如，对于FAT12，其使用12位地址对分配单元进行寻址，因此，理论上最大只能管理212=4096个分配单元（实际上，部分地址用作它用，管理的分配单元要略小于该值），若每个分配单元的大小为32K，则FAT12管理存储设备的最大容量为：32K*4096 = 128M。同理，可得到FAT16管理的存储设备最大容量为2G，虽然FAT32理论上可以管理的容量达到T级别，但实际中，当存储设备的容量超过32G时，不再建议使用FAT，例如，在Windows中，可以使用NTFS等其它文件系统。用户无需明确指定使用何种FAT文件系统，系统将根据设备容量自动进行选择。

对于FAT文件系统，flags标志未使用，设置为0即可。基于此，格式化TF卡的范例程序详见程序清单11.1。

程序清单11.1  式化范例程序

若未插入TF卡或刚插入TF卡但还未初始化完成，则"/dev/sd0"设备是不存在的，此时，aw_make_fs()函数将返回错误号：-AM_ENODEV。

由于程序在系统启动后将立即执行，TF卡可能还未及时插入或初始化完成。因此，程序中，当格式化函数的返回值为-AM_ENODEV时，继续重试。为便于测试，用户应尽快插入TF卡。格式化操作通常比较费时，作者在使用程序清单11.1所示程序格式化一张8G的TF卡时，耗时约8秒。

格式化仅需执行一次，若本次格式化成功，则后续再进行其它操作时，无需再格式化。特别地，格式化操作会删除存储设备上所有的原始数据，应谨慎使用。

在程序清单11.1中，若TF卡还未准备就绪（TF卡未插入或刚插入但还未初始化完成），则不断重试。为了避免不断重试，使程序逻辑更加清晰易懂，可以在上电后等待设备就绪后再执行格式化操作，等待设备就绪的函数原型为（fs/aw_blk_dev.h）：

该接口是用于等待一个块设备准备就绪，常见的U盘、SD卡、TF卡等都属于块设备（即在物理操作上，数据是以块为单位，比如：512字节，进行数据的写入和读取的，而不是以单个字节为单位）。其中p_name为设备名，例如，"/dev/sd0"，timeout用于指定超时时间（单位为系统节拍）。

若设备已就绪，则直接返回AW_OK；若设备未就绪，则具体的行为与timeout的值相关。若timeout的值为AW_WAIT_FOREVER。则程序会阻塞于此，永久等待，直到设备准备就绪；若值为AW_NO_WAIT，则不会阻塞，立即返回错误号-AW_EAGAIN；若值为一个正整数，则表示最长的等待时间（单位为系统节拍），在超时时间内设备就绪则返回AW_OK，否则，返回-AW_ETIME表示超时。

优化程序清单11.1，避免不断重试，仅当设备就绪后再执行格式化操作。范例程序详见程序清单11.2。

程序清单11.2 格式化范例程序（设备就绪后再执行格式化操作）

2.  挂载设备

为了使用目录树结构管理文件，并将文件保存到存储设备（如TF卡）中，必须将存储设备挂载到某一目录。挂载操作的函数原型为：

其中，mnt为挂载点，其为新建的一个目录结点，使用全路径表示，比如："/test"，其表示在根目录下创建了一个名为test的挂载点，后续访问"/test "目录即表示访问本次挂载的存储设备；dev为存储设备的名字，如果使用TF卡，则对应的设备名为"/dev/sd0"；fs为存储设备使用的文件系统名，如果使用FAT文件系统，则文件系统名为"vfat"；flags为挂载时的一些选项标识，当前无可用标识，预留给后续扩展使用，设置为0即可。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时，表示挂载成功，否则，表示挂载失败。挂载TF卡的范例程序详见程序清单11.3。

程序清单11.3 挂载TF卡范例程序

注意，当前挂载信息不会保存到存储设备中，相关信息仅保留在内存中，因此，每次重新上电时，都应该执行挂载操作。

挂载完毕后，即在根目录下创建了一个test挂载点，对于用户来讲，后续即可在该目录下进行文件相关的操作，例如，创建文件、读取文件、写入文件等操作。此外，还可以在该目录下创建子目录，这些文件和子目录信息都存储在TF卡中，掉电不会丢失。

3.  取消挂载

当设备不再使用时，可以取消该设备的挂载，挂载点将删除，用户不可再访问该目录。取消挂载的函数原型为：

其中，path为路径名，可以是设备名（比如："/dev/sd0"），也可以是挂载点（即挂载时指定的mnt参数，比如："/test"）。flags为挂载时的一些选项标识，当前无可用标识，预留给后续扩展使用，设置为0即可。返回值为标准的错误号，返回AW_OK时，表示取消挂载成功，否则，表示取消挂载失败。取消挂载的范例程序详见程序清单11.4。

程序清单11.4 取消挂载范例程序

由于在挂载设备时，已经将挂载点和设备名进行了关联，因此，在取消挂载时，只要知道挂载点和设备名中任何一个信息，均可得到完整的挂载信息，然后取消挂载。在程序清单11.4中，是通过挂载时使用的挂载点取消挂载，也可以通过设备名取消挂载，例如，将第19行代码中的"/test"修改为"/dev/sd0"。

11.3  文件基本操作

文件相关的操作主要包括打开文件（创建文件）、关闭文件、读取文件数据、写入数据等。相关接口的原型详见表11.2。

表11.2 文件基本操作相关接口

1. 打开文件

打开或创建一个文件的函数原型为：

其中，path为包含文件名的完整路径，如需在test目录下创建一个fs_test.txt文件，则path应为"/test/fs_test.txt"，文件名建议使用8.3格式，即主文件名长度不超过8，扩展名长度不超过3。因为部分文件系统不支持更长的文件名，使用8.3格式的文件名兼容性更好。

oflag指定打开文件的方式，当前支持的打开方式详见表11.3。

表11.3 打开文件方式（io/aw_fcntl.h）

mode用于控制访问权限，其类型为mode_t，mode_t是一个整数类型，实际类型与具体平台相关，通常情况下，其为32位无符号整数。在当前系统中，mode为与POSIX标准接口兼容的参数，目前没有使用，可以设置为0。在支持该参数的平台中，其用于控制用户访问文件的权限，仅当创建文件时有效，有效位共计9位，每3位为1组，共计3组。3组分别控制3类用户的权限：当前用户、组用户、其它用户。每组3位分别控制3种权限：读、写、执行，相应位为1，表明该类用户具有相应的权限。各组用户权限的控制位详见表11.4。

表11.4 权限控制

由于mode中每3位为一组，而3位二进制数据恰好可以使用1位八进制数据（0 ~ 7）表示。因此，为了便于阅读，mode的值往往使用八进制表示。如0777（在C语言中，数据前加0表示八进制数据），表示所有用户都具有读、写、执行的权限。为了使应用程序更具有兼容性，可以将mode的值设置为0777。

若文件打开成功，则返回文件的句柄，后续使用该句柄进行文件的读写操作。特别地，若返回值为-1，则表示打开文件失败。如打开test目录下的fs_test.txt文件（若不存在该文件，则创建该文件）的范例程序详见程序清单11.5。

程序清单11.5 打开文件范例程序

2.  创建文件

创建文件的函数原型为：

其中，path为包含文件名的完整路径，注意，创建文件时，需要保证path指定的路径是有效的，若其父文件夹不存在，则会创建失败。mode为文件的模式。其本质上等效于：

由此可见，其是以只写方式打开文件的，若文件不存在，由于使用了O_CREAT标识，则创建文件，若文件已穿在，由于使用了O_TRUNC标识，则会将原文件的内容清空，长度截断为0，相当于创建了一个新文件。

若文件创建成功，则返回文件的句柄，后续使用该句柄进行文件的读写操作。特别地，若返回值为-1，则表示创建文件失败。如在test目录下创建一个fs_test2.txt文件的范例程序详见程序清单11.6。

程序清单11.6 创建文件范例程序

3.  关闭文件

文件打开或创建后，若不再需要使用文件，则必须关闭该文件，文件关闭后，文件相关的数据才会被可靠的写回硬件存储设备。关闭文件的函数原型为：

其中，filedes为待关闭文件的句柄，其值是打开文件或创建文件时返回的文件句柄。返回值为错误号，若返回AW_OK，则表示关闭文件成功，否则，表示关闭文件失败。范例程序详见程序清单11.7。

程序清单11.7 关闭文件范例程序

4.  写入数据

文件打开后，可以写入数据至文件中，其函数原型为：

其中，filedes为文件句柄，buf为待写入数据的缓冲区，nbytes为写入数据的字节数。返回值为成功写入的字节数，特别地，若返回值为负值，则表示写入数据失败，可能是由于打开文件的方式不对造成的，例如，打开文件时，使用了只读的方式打开文件；若返回值小于nbytes，则可能是由于存储设备容量不足造成的。

对于每个打开的文件，系统中都使用了一个与其关联的整数变量来表示该文件的读写位置，其值为相对于文件起始位置的偏移量。文件读写位置将决定下一次读/写数据时的位置。打开文件时，若未指定O_APPEND标志，则读写位置初始为0，否则，读写位置在文件结尾，例如，文件大小为10，则读写位置的值即为10。每次写入数据完毕后，都将自动更新读写位置至本次写入数据的尾部，例如，写入10个数据，则读写位置的值将自动增加10，以便下次写入数据时，紧接着尾部继续写入。

例如，打开文件，写入一串字符串，最后再关闭文件的完整范例程序详见程序清单11.8。

程序清单11.8 写入数据范例程序

若程序运行成功，则在TF卡中创建了一个fs_test.txt文件，同时，在文件中写入了字符串"just for test:0123456789"。为了验证操作是否成功，可以拔下TF卡，将TF卡通过读卡器连接到PC上（Windows系统），通过PC查看TF卡中的内容，可以看到TF卡目录内容和fs_test.txt文件内容详见图11.3。

图11.3 通过PC查看TF卡的内容（1）

5.  读取数据

文件打开后，可以从文件中读取数据，其函数原型为：

其中，filedes为文件句柄，buf为保存读取数据的缓冲区，nbytes为读取数据的字节数。返回值为成功读取的字节数，特别地，若返回值为负值，则表示读取数据失败，可能是由于打开文件的方式不对造成的，例如，打开文件时，使用了只写的方式打开文件；若返回值不小于0，但小于nbytes，则表示文件数据不足，已经读取至文件结尾。

每次读取数据完毕后，都将自动更新读写位置至本次读取数据的尾部，例如，读取10个数据，则读写位置的值将自动增加10，以便下次读取数据时，紧接着尾部继续读取。

例如，以只读方式打开之前创建的/test/fs_test.txt文件，读取文件内容，以判断读写是否正确的范例程序详见程序清单11.9。

程序清单11.9 读取数据范例程序

6.  改变文件读写位置

对于每个打开的文件，都有一个“读写位置（相对于文件起始位置的偏移量）”来表示下一次读/写数据时的起始位置，其值除在每次读/写数据时自动更新外，还可以使用aw_lseek() 函数手动改变，aw_lseek()的函数原型为：

其中，filedes为文件句柄，offset为设置的偏移量，whence指定offset偏移量的基准位置。返回值为新的“读写位置”。

若whence的值为SEEK_SET，表示offset偏移量是以文件起始位置为基准，就相当于直接设置“读写位置”的值为offset。使用SEEK_SET的范例程序详见程序清单11.10。

程序清单11.10 SEEK_SET范例程序

若whence的值为SEEK_CUR，表示offset偏移量是以当前“读写位置”为基准，即将“读写位置”的值加上offset作为新的“读写位置”，offset可正可负，为正时，增大“读写位置”的值，表示“读写位置”向文件尾部方向移动，为负时，减小“读写位置”的值，表示“读写位置”向文件头部方向移动。使用SEEK_CUR的范例程序详见程序清单11.11。

程序清单11.11 SEEK_CUR范例程序

若whence的值为SEEK_END，表示offset偏移量是以文件尾部为基准，即将“读写位置”的值设置为文件大小加上offset作为新的“读写位置”。使用SEEK_END的范例程序详见程序清单11.12。

程序清单11.12 SEEK_END范例程序

值得注意的是，若移动后的“读写位置”大于当前文件大小，则移动的结果将与具体的文件系统相关。通常情况下，“读写位置”被重置为当前文件大小，即原文件尾部，部分特殊情况下，也可能会扩充文件的大小。可以通过返回值判断当前实际的“读写位置”。出于兼容性考虑，不建议将“读写位置”移动至当前文件的有效范围之外。

可以修改程序清单11.9所示的程序，在读取数据前，设定“读写位置”为14，然后读取10个字符，即可仅读取出字符串："0123456789"，范例程序详见程序清单11.13。

程序清单11.13 读取指定位置数据段的范例程序

7.  截断文件

用于将文件截断为指定长度，超出长度的内容将被删除，一般情况下，都通过文件描述符filedes指定要截断的文件，其函数原型如下：

其中，filedes为文件句柄，length为新的文件长度，如果length小于原文件长度，文件将被截断。返回值为AW_OK时，表示截断成功，否则，表示截断失败。如将fs_test.txt文件长度截断为14，以删除结尾的字符串："0123456789"，则范例程序详见程序清单11.14。

程序清单11.14 截断文件范例程序

在程序清单11.14中，截断一个文件主要分为3步：打开文件、截断文件、关闭文件。为了简化截断文件的操作，AWorks提供了另外一个功能相同的接口，但其通过文件名指定要截断的文件，使用起来更加便捷，其函数原型为：

其中，path为文件的路径，length为新的文件长度。用户无需在截断文件前打开文件，该函数将在内部打开文件，截断后关闭文件。如使用该接口，则一行代码即可实现与程序清单11.14相同的功能，即：

8.  修改文件名

该函数用于修改指定文件的文件名，函数原型为：

其中，oldpath为原文件名，newpath为新文件名。返回值为AW_OK时表示更名成功，否则表示更名失败。修改"/test/fs_test.txt"为"/test/fs_test3.txt"的范例程序详见程序清单11.15。

程序清单11.15 修改文件名范例程序

注意，若newpath指定的文件已存在，则该文件将会被覆盖。特别地，若newpath与oldpath相同，则函数不做任何处理，直接返回成功。

9.  同步文件

通常情况下，在操作文件的过程中，文件相关的数据并不会立即写入到存储设备中，而是保存在内存中，这样可以在一定程度上提高数据读写的效率。在关闭文件时，再将该文件相关的所有数据保存到存储设备中。在一些比较耗时的文件操作过程中，为了避免中途突然掉电导致数据丢失，也可以通过aw_fsync()函数立即执行回写操作，使文件相关的数据保存到存储设备中。这就类似于在编写一个Word文档的过程中，需要时常点击保存按钮，避免突然掉电导致部分数据丢失。其函数原型为：

其中，filedes为文件句柄。返回值为AW_OK时表示同步成功，否则，表示同步失败。范例程序详见程序清单11.16。

程序清单11.16 同步文件范例程序

10.  删除文件

当一个文件不再使用，可以删除该文件，删除指定文件的函数原型为：

其中，path为文件的路径。返回值为AW_OK时表示删除成功，否则，表示删除失败。范例程序详见程序清单11.17。

程序清单11.17 删除文件范例程序

11.  获取文件状态信息

对于一个文件，除基本数据外（使用读写接口操作的数据），还具有一些与文件相关的其它信息，比如：文件实际大小、文件占用大小、修改时间、访问权限等。这些信息统一被称为状态信息，可以通过aw_fstat()接口获取文件的状态信息，其函数原型为：

其中，fildes为文件句柄，buf为文件状态信息的缓存。返回值为AW_OK时表示获取成功，否则，表示获取失败。文件状态信息的类型为struct aw_stat，其完整定义如下（io/sys/aw_stat.h）：

其中的绝大部分成员在当前系统中并未使用，预留给后续扩展。这里仅简要介绍几个常用的数据成员：st_mode、st_size、st_atim、st_mtim和st_ctim。

st_mode包含了文件类型及权限相关的信息，权限相关信息与创建文件时指定的mode参数一致。

st_size表示文件的实际长度。通常情况下，文件占用的磁盘空间会大于该值。如在FAT文件系统中，存储文件的基本单元为“簇”，即使文件小于基本的存储单元大小，也会占用一个完整的存储单元。文件占用的磁盘空间可由st_blksize和st_blocks获得，st_blksize表示存储单元的大小，st_blocks表示文件占用的存储单元个数，两者的乘积则表示文件占用的空间大小。

st_atim、st_mtim、st_ctim表示文件相关的时间，st_atim为最后访问文件的时间，st_mtim为最后修改文件内容的时间，st_ctim为最后修改文件状态的时间。在部分平台中，可能没有严格细分这些时间，而是统一的使用一个时间表示，此时，各个时间的值将是相同的。这些时间的类型为struct timespec，其表示精确日历时间，即：

精确日历时间中包含了秒和纳秒信息。可以通过将该时间转换为细分时间，得到年、月、日、时、分、秒等信息。获取文件状态信息的范例程序详见程序清单11.18。

程序清单11.18 获取文件状态信息的范例程序

和截断文件类似，AWorks也提供了另外一个功能相同的接口，可以通过文件名指定要获取状态信息的文件，使用起来更加便捷，其函数原型为：

其中，path为文件路径，buf为文件状态信息的缓存。返回AW_OK时表示获取成功，否则，表示获取失败。可以使用该接口简化程序清单11.18的第21、22、29共计3含代码，使用一行代码代替，即：

12.  修改文件时间

一个文件的存取和修改时间可以用 aw_utime() 函数更改，其函数原型为：

其中，path为文件的路径，times为设置的时间。struct aw_utimbuf类型的定义（io/aw_utime.h）如下：

其中，actime表示文件最近一次的访问时间，modtime表示文件最近一次的内容修改时间，它们的类型均为time_t，time_t是日历之间类型，即actime和modtime均使用日历时间表示。返回AW_OK时，表示时间设置成功，否则，表示时间设置失败。如设置文件访问时间和文件修改时间均为2016年8月26日09:32:30，则范例程序详见程序清单11.19。

程序清单11.19 修改文件时间的范例程序

程序中，首先使用aw_utime()修改了文件时间，然后使用aw_stat()获取文件的状态信息，以查看时间是否设置成功。

11.4  目录基本操作

目录相关的操作主要包括创建目录、打开目录、读取目录、关闭目录、删除目录等。相关接口的原型详见表11.5。

表11.5 目录基本操作相关接口

1.  创建目录

创建一个空目录，其函数原型为：

其中，path是待创建目录的完整路径，包括待创建目录的父目录和新目录的名字，如需在"/test"目录下创建一个"newdir"目录，则path为"/test/newdir"，注意，必须保证父目录已存在，且父目录下不存在即将创建的同名目录。mode指定目录相关的权限，默认使用0777。

返回值为标准的错误号，若返回AW_OK，表示新目录创建成功，否则，表示新目录创建失败。如在"/test"目录下创建一个"newdir"目录，则范例程序详见程序清单11.20。

程序清单11.20 创建目录范例程序

若程序运行成功，则在TF卡中创建了一个newdir目录。为了验证操作是否成功，可以拔下TF卡，将TF卡通过读卡器连接到PC上（Windows系统），通过PC查看TF卡中的内容，TF卡目录的内容详见图11.4 (a)，其中新增了newdir目录，且newdir当前是一个空目录，详见图11.4 (b)。

图11.4 通过PC查看TF卡的内容（2）

可以尝试在newdir目录中新建文件，例如：

2.  打开目录

在目录操作中，遍历已存在的一个目录是一种常见的操作，即遍历一个目录下所有的子项（包括文件和子目录）。遍历过程主要分为3个步骤：打开目录、读取目录、关闭目录。

在遍历一个目录前，首先需要打开该目录，其函数原型为：

其中，dirname为目录名，如需打开根目录下的test目录，则其值为"/test"。返回值为指向一个目录对象的指针，目录类型struct aw_dir 在io/aw_dirent.h文件中定义，其具体定义用户无需掌握，仅需保存下该指针，后续使用该指针代表打开的目录即可，特别地，若返回值为NULL，则表示目录打开失败。打开目录的范例程序详见程序清单11.21。

程序清单11.21 打开目录范例程序

3.  读取目录

打开目录后，即可依次读取该目录中的各个子项（文件或子目录），获得它们的名字等信息，其函数原型为：

其中，dirp为指向目录对象的指针，可通过打开目录获得。返回值为目录项指针，即为本次读取的一条目录项，其类型struct aw_dirent的定义如下：

其中，d_ino为项目序列号，其值为一个整数，每个子项都有一个对应的序列号，在一个目录中，若共计有10个子项，则各子项的序列号依次为0 ~ 9。d_name为该子项的名字。

打开目录后首次调用读取目录接口，获得的子项序列号为0，要获取一个目录下所有的子项，可以多次调用读取目录接口，每次调用结束后，都会将序列号加1，下次读取时将读取到下一个子项。特别地，若读取目录的返回值为NULL，表示读取结束。读取一个目录下所有子项的范例程序详见程序清单11.22。

程序清单11.22 读取目录范例程序（1）

aw_readdir()接口通过返回值返回一个指向读取目录子项的指针，该指针指向的实际内存是由系统内部分配的静态内存，在多任务环境中，这份内存是共享的，因此，该接口不是线程安全的，例如，在一个任务中读取了一次目录，则静态内存中存放了本次读取的结果，其地址返回给用户，用户通过指针访问读取目录的结果。若在这个过程中，另外一个任务也读取了一次目录，则内存中的数据将发生改变，这将覆盖前一个任务读取目录的结果。由此可见，当多个任务同时访问一个目录时，必须使用互斥机制。

为此，AWorks提供了另外一个线程安全的接口：aw_readdir_r()，它们在功能上是完全一样的，唯一的不同是，使用该接口读取目录时，读取结果存储在用户提供的一段内存中，其原型为：

其中， dirp为指向目录对象的指针，可通过打开目录获得；entry为存储读取结果的缓存，result为一个二维指针，即一个指针的地址，程序执行结束后，指针的值即被设置为指向本次读取目录的结果。

若返回值为AW_OK，则读取成功，否则，读取失败。值得注意的是，当目录读取未达结尾，成功读取到一个子项时，由于读取的结果存储在entry指向的内存中，因此，result的值被设置为entry（即：*result=entry），当目录读取达到结尾时，result的值将被设置为NULL（即：*result=NULL）。范例程序详见程序清单11.23。

程序清单11.23 读取目录范例程序（2）

4.  关闭目录

若读取目录完毕，或不再需要读取目录时，则可以关闭目录，其函数原型为：

其中，dirp为指向目录对象的指针，可通过打开目录获得。返回值为AW_OK时表示关闭成功，否则，表示关闭失败。

综合打开目录、读取目录、关闭目录三个接口，遍历一个目录下所有子项的范例程序详见程序清单11.24。

程序清单11.24 遍历目录范例程序

5.  删除目录

当一个目录不再使用，可以删除该目录，删除指定目录的函数原型为：

其中，path为目录的路径。返回值为AW_OK时表示删除成功，否则，表示删除失败。该函数仅可用于删除一个空目录，若目录非空，则删除失败。范例程序详见程序清单11.25。

程序清单11.25 删除目录范例程序

11.5  微型数据库

AWorks提供了一个基于文件系统实现的微型数据库，用以管理信息记录，每条记录由“关键字”和“值”两部分构成，关键字可用于记录的查找、删除等。微型数据库是基于哈希表原理实现的，具有简洁、高效的特点。为了便于理解，本节首先对哈希表进行简要介绍，然后再介绍微型数据库的各个接口。

11.5.1  哈希表

在数据存储应用中，存储的记录往往都具有唯一的关键字，以便于管理。例如，为了管理学生信息（包含姓名、性别、身高、体重等），会为每个学生分配一个学号，通过学号就可以唯一的定位一个学生，这里的学号即为关键字。常见的身份证号也具有类似的作用。

假设需要设计一个信息管理系统，用于管理学生信息，可以将每条学生信息看作一条记录。

一条记录包含学号、姓名、性别、身高、体重等信息，可定义与学生记录对应的结构体类型，详见程序清单11.26。

程序清单11.26 学生信息类型定义

作为一个信息管理系统，首先要能够实现学生记录的存储，基于文件系统接口可以很容易实现：直接将记录写入到文件中即可。增加一条学生记录的范例程序详见程序清单11.27。

程序清单11.27 增加一条学生记录

程序中，假定了存储学生记录的文件名为："/test/students.txt"，这就要求系统中，将/test目录挂载到特定的存储器，比如SD卡或U盘等。增加一条记录的实现非常简单，仅仅是将p_info指向的学生记录顺序的存入了文件尾部，因此，使用这种方法增加学生记录的效率还是比较高的。

如果使用student_add()函数增加了若干学生记录，将学生记录存储在了文件中，接下来，最常见的操作就是根据学号查询学生信息。基于学生信息的存储方式，可以实现一个学生信息查询函数，范例程序详见程序清单11.28。

程序清单11.28 根据学号查询学生记录

由此可见，程序仅仅从文件头部顺序读取文件学生记录，逐一与待查找的学号进行比对，直到查找到与学号完全一致的学生记录。

上述简单的范例程序实现了记录的添加和查找。由于查找学生记录是采用顺序查找的方式，随着学生记录的增加，查找效率将逐步降低。例如，一所大学往往有几万学生，则使用该系统管理学生记录时，一次简单的查找则可能要顺序对比上万次学号，显然，效率不高。

如何以更高的效率实现查找呢？在查找算法中，非常经典高效的算法是“二分法查找”，按10000条记录算，最多也只需要比较14次（log210000）。但是，使用“二分法查找”的前提是信息必须有序排列，即要求学生记录必须按照学号从大到小或从小到大的顺序进行存储，这就导致在添加学生信息时，必须将学生记录按照学号顺序，插入到指定位置，而不能像程序清单11.27那样，简单的将信息添加至文件尾部。对于文件操作来讲，插入操作是非常繁琐的，若已经有大量学生记录按学号顺序存储在文件中，在此基础上再插入一条记录到这些记录的中间某个位置，则需要将其后的所有记录后移，以预留出一条记录的存储空间，这意味着需要将后续所有记录读出，再重新写入到其后的地址中。由此可见，虽然使用这种方法可以提高查找效率，却牺牲了添加信息的效率。

“顺序查找”管理方式牺牲了查找记录的效率，“二分法查找”牺牲了写入记录的效率。能否将二者折中一下呢？“二分法查找”的本质是每次缩小一半的查找范围，基于缩小查找范围的思想，可以尝试缩小每次“顺序查找”的范围。同样以10000条记录为例，为了缩小每次“顺序查找”的范围，将记录分为两个部分，例如，制定以下规则：学号小于某一值时，作为第一部分存储在某一文件中；反之，作为第二部分存储在另外一个文件中。

如此一来，在写入记录时，只需要多一条判断语句，对性能并没太大影响。而在查找时，只要根据学号判断出记录应存储在哪一个文件中，然后按照顺序查找的方式进行查找即可。此时，若用于分界的学号选择恰当，使两个部分的学生记录数量基本相同，则顺序查找需要比较的次数就从最大的10000次降低到了约5000次。由此可见，通过一个简单的方法，将信息分别存储在两个文件中，就可以明显地提高查找效率。

为了继续提高查找的效率，还可以将记录分为更多的部分，比如，分成250个部分，序号为0 ~ 249，若划分规则恰当，使各个部分的学生记录数量基本相同，则每个部分的记录数目就约为40条，此时，顺序查找需要比较的次数就仅需约40次即可！示意图详见图11.5。

图11.5 将记录分为多个部分

图11.5可以看作大小为250的“哈希表”，“哈希表”的每个表项对应了一部分记录。哈希表的核心思想是将一个很大范围的关键字空间（例如，学号为6字节，6字节数据共计48位，其表示的数值空间大小为：248，约280万亿，是一个相当大的范围），映射到一个较小的空间（范围序号：0 ~ 249，大小为250）。由于是大范围映射到小范围，因此可能有一部分关键字（学号）映射到同一个表项中，也就是每个表项可能包含多条记录。

哈希表的关键是确定映射关系，即如何将关键字（学号）映射到表项的序号，也就是将所有记录划分为多个部分的具体规则。当写入或查找一条记录时，可以通过映射关系确定该记录属于哪一部分。这个映射关系对应的函数即为“哈希函数”，其作用就是将学号转换为哈希表的表项序号。例如，假定学号是均匀分布的，则可以将6字节学号直接求和再对250取余，进而得到一个0 ~ 249的数，范例程序详见程序清单11.29。

程序清单11.29 映射关系——通过学号得到分组索引

db_id_to_idx()函数就是“哈希函数”，哈希函数的结果（分组索引）称之为“哈希值”。 

“哈希函数”是整个哈希表的关键，哈希函数应尽可能确保记录均匀的分布到各个表项中，不能差异太大，极端地，若哈希函数选择有误，将所有记录分布到了一个表项中，那这样的哈希表将没有任何意义，因为每次查找记录又回到了最初的状态：遍历所有记录。

实际应用中，记录往往是动态管理的，可以随时动态添加、删除。因此，每一部分（哈希表的表项）包含的记录数也会动态增加或减少。为了便于动态管理每一部分的记录，各部分可以使用链表管理该部分中可能存在的多条记录，示意图详见图11.6，图中所示的链式哈希表结构就是AWorks中微型数据库原理。

图11.6 链式哈希表结构

11.5.2  微型数据库接口

前面简要介绍了哈希表的原理，AWorks提供了一个基于哈希表思想实现的微型数据库，提供了增加、删除、查找等接口，相关接口的原型详见表11.6。

表11.6 微型数据库接口（aw_db_micro_hash_kv.h）

微型数据库相关的文件和接口以“aw_db_micro_hash_kv”作为命名空间，其中，“aw_”表示AWorks，“db”表示数据库（data base），“micro”表示微型，hash_kv表示基于的是hash关键字和值的思想。

1.  定义数据库实例

所有接口的第一个参数均为aw_db_micro_hash_kv_t类型的指针，用于指向待操作的数据库实例。该类型的具体定义（如具体包含哪些成员）用户无需关心，仅需在使用微型数据库前，使用该类型定义一个数据库实例即可，例如：

其中，students_db的地址即可作为各个接口p_db参数的实参传递。

2.  初始化

在使用数据库前，需要完成数据库的初始化，以指定哈希表大小、关键字长度、值长度以及存储整个数据库的文件名等信息。其函数原型为：

其中，p_db指向待初始化的数据库实例。size表示哈希表的大小，即表项的数目，如需设计图11.6所示的哈希表，由于其哈希表的大小为250，则该值应设置为250。key_size为关键字长度，例如，以学号为关键字，由于学号的长度为6字节，则该值应设置为6。

value_size表示记录中值的长度，以学生记录为例，一条学生记录包含学号、姓名、性别、身高、体重等信息。最初的学生记录对应的结构体类型详见程序清单11.26。在使用微型数据库时，关键字和值是不同的两个部分，均会被存储到文件中。因此，可以将关键字学号分离出来，剩余的信息作为一条学生记录的“值”。详见程序清单11.30。

程序清单11.30 学生记录信息类型（不包括关键字——学号）

基于此，value_size的值则应设置为：sizeof(student_t)。

pfn_hash用于指定一个哈希函数，其作用是将关键字转换为一个哈希值，哈希值即为哈希表的索引。其类型aw_db_micro_hash_kv_func_t定义如下：

该类型为一个函数指针类型，其指向函数的形参为关键字，返回值为哈希值（类型为无符号整数），哈希值将作为哈希表的索引。通过对哈希表的介绍可知，哈希函数的选择直接决定了记录的分布，必须尽可能地确保所有记录均匀地分布在各个表项中。不同的关键字数据具有不同的分布特性，因此，哈希函数需要由用户根据实际情况提供，简单的实现可以将关键字按字节求和后再对哈希表大小取余，详见程序清单11.31。

程序清单11.31 简易的哈希函数实现

其中，函数名hash_func_id_to_idx即可作为pfn_hash的实参传递。

file_name用于指定存储该数据库信息及所有记录的文件名，若一个系统中存在多个数据库（定义了多个数据库实例），则在初始化各个数据库时，为各个数据库指定的文件名应该不同，以使各个数据库使用不同的文件存储数据。在程序清单11.27和程序清单11.28所示的简易范例程序中，每次写入记录或查找记录前，都会执行一次打开文件操作，并在写入或查找结束后关闭文件。在实际应用中，可能会频繁的执行写入、查找等操作，这样就会导致频繁的打开、关闭文件，降低了程序运行的效率，为此，AWorks提供的数据库仅仅在初始化时打开文件，后续其它操作均无需再执行打开文件操作。若初始化时指定的文件名对应文件已经存在，则仅仅打开该文件，然后再该文件的基础上进行记录的管理（添加、删除等）；若文件名对应文件不存在，则创建该文件，以建立一个全新的数据库（数据库中没有任何有效记录）。初始化数据库的范例程序详见程序清单11.32。

程序清单11.32 初始化数据库范例程序

3.  增加一条记录

该函数用于向数据库中增加一条记录，其函数原型为：

其中，p_db指向已经初始化的数据库实例。p_key指向本次增加记录的关键字，其长度必须与初始化指定的key_size一致。p_value指向本次增加记录的具体“值”。例如，待增加一条学生记录，其各项信息详见表11.7。

表11.7 待增加的学生信息举例

则向数据库中增加该学生记录的范例程序详见程序清单11.33。

程序清单11.33 增加记录范例程序

4.  根据关键字查找记录

向数据库中添加记录后，可以根据关键字查找记录的详细信息，查找记录的函数原型为：

其中，p_db指向数据库实例。p_key为输入参数，指向本次查找记录的关键字，关键字长度必须与初始化时指定的key_size一致。p_value为输出参数，返回本次查找到的记录。

例如，若使用程序清单11.33所示的范例程序增加了一条学生记录，作为测试，可以使用查找记录接口查找学号为201644700239的记录，以查看其对应的“值”信息是否与写入的信息一致。范例程序详见程序清单11.34。

程序清单11.34 根据关键字查找记录的范例程序

程序中，为了避免使用aw_kprintf()打印浮点数，将身高和体重分为整数部分和小数部分打印，最终等效于保留2位小数的浮点数打印效果。

5.  删除一条记录

通过该接口可以删除数据库中的一条记录，其函数原型为：

其中，p_db指向数据库实例。p_key指向本次需要删除记录的关键字，关键字长度必须与初始化时指定的key_size一致。

例如，若使用程序清单11.33所示的范例程序增加了一条学生记录，作为测试，可以将学号为201644700239的记录删除。范例程序详见程序清单11.35。

程序清单11.35 根据关键字删除记录的范例程序

使用程序清单11.35所示程序删除记录后，若再查找学号为201644700239的记录，将会查找失败。

6.  解初始化

与数据库初始化函数对应。当暂时不使用一个数据库时，可以执行该函数，以释放相关资源。注意，解初始化后，数据库中已经存储的内容保持不变。解初始化函数的原型为：

其中，p_db指向数据库实例。例如，在一次应用中，添加了100个学生记录，添加结束后，暂时不再使用该数据库，则可以解初始化该数据库，范例程序详见程序清单11.36。

程序清单11.36 解初始化范例程序

在初始化函数的介绍中提到，为了避免频繁的打开文件和关闭文件，在初始化时打开了文件，使得在添加记录、删除记录、查找记录时，无需再打开文件。与初始化函数对应，在解初始化函数中，关闭了文件。关闭文件后，文件中的内容保持不变。如需再次使用该数据库，则应该重新执行一次初始化操作。

上面介绍了各个接口的使用方法，基于这些接口，可以实现一个学生记录管理的综合范例程序，详见程序清单11.37。

程序清单11.37 微型数据库综合范例程序

测试程序主要由test_db_micro_hash_kv()完成，在aw_min()主程序中，仅仅是简单调用了该函数。在test_db_micro_hash_kv()函数中，首先初始化了一个数据库，然后向其中添加了100个学生记录（为了快捷产生这些记录，以随机数的方式自动生成，随机数无实际意义，仅供测试使用。同时，为了保证添加的学生学号唯一，在添加记录前，通过搜索接口查看是否存在该学号的学生，若存在，则不再重复添加）。接着测试了查找接口，查找最后添加的学生记录。然后测试删除接口，删除了最后添加的学生记录，删除成功后，再次查找将会失败。最后，所有操作执行完毕，解初始化数据库。