UNIX环境高级编程学习之路(四)----系统数据文件和信息

对于UNIX环境编程，工作中经常会用到相关知识，作为学习UNIX环境编程的经典书籍--UNIX环境高级编程，是每个UNIX编程人员必看的经典书籍之一，为了将相关知识重新进行学习，以系统的整合所学知识，遂以博文形式作为总结。

1、概述

UNIX系统的正常运行需要使用大量与系统有关的数据文件，例如，口令文件/etc/passwd和组文件/etc/group就是经常被多个程序频繁使用的两个文件。用户每次登陆UNIX系统，以及每次执行ls -l命令时都要使用口令文件。

2、口令文件

UNIX口令文件包含了如下图所示的个字段，这些字段包含在<pwd.h>中定义的passwd结构中。

由于历史原因，口令文件是/etc/passwd，而且是一个ASCII文件。每一行包含如下图所示的各字段，用冒号分隔。

关于这些登录项，注意下面各点：
* 通常有一个用户名为root的登录项，其用户ID是0（超级用户）。
* 加密口令字段包含了一个占位符。较早期的系统版本中，该字段存放加密口令字，将加密口令字存放在一个人人可读的文件是一个安全性漏洞。所以将加密口令字存放在另一个文件中。
* 口令文件项中的某些字段可能为空。如果加密口令字段为空，这通常意味着该用户没有口令（不推荐这样做）。aquid登录项有一空白字段：注释字段。空白注释字段不产生任何影响。
* shell字段包含了一个可执行程序名，被用作该用户的登陆shell。若该字段为空，则取系统默认值，通常是/bin/sh。注意，squid登录项的该字段为/dev/null。显然，这是一个设备，不是可执行文件，此时目的是，阻止任何人以用户squid的名义登陆到该系统。
* 为了阻止一个特定用户登陆系统，除了使用/dev/null外，还有若干种替代方法，常见一种方法是：将/bin/false用作登陆shell。他简单的以不成功（非0）状态终止，该shell将这种终止状态判断为假。另一种常见方法是：用/bin/true禁止一个账户，他所做的一切是以成功（0）状态终止。某些系统提供nologin命令，他打印可定制的出错信息，然后以非零状态终止。
* 使用nobody用户名的一个目的是，使任何人都可以登录至系统，但其用户ID和组ID不提供任何特权。该用户ID和组ID只能访问人人皆可读、写的文件。
* 提供finger(l)命令的某些支持注释字段中的附加信息。如：

以下定义了获取口令文件项的函数。在给出用户登录名或数值用户ID后，这两个函数就能查看相关项。

#include <pwd.h>
struct passwd *getpuid(uid_t uid);
struct passwd *getpwnam(const char *name);
返回值：若成功，返回指针；若出错，返回NULL

这两个函数都返回一个指向passwd结构的指针。该结构已由这两个函数在执行时填入信息。passwd结构通常是函数内部的静态变量，只要调用任一相关函数，其内容就会被重写。若有些程序要查看整个口令文件，则下面函数可用于此目的。
获取root账号的识别码和根目录

#include <pwd.h>
#include <sys/types.h>
main()
{
    struct passwd *user;
    user = getpwnam("root");
    printf("name:%s\n", user->pw_name);
    printf("uid:%d\n", user->pw_uid);
    printf("home:%s\n", user->pw_dir);
}

#include <pwd.h>
struct passwd *getpwent(void);
返回值：若成功，返回指针；若出错或者到达文件尾端，返回NULL
void setpwent(void);
void endpwent(void);

调用getpwent时，他返回口令文件的下一个记录项。每次调用此函数都重写passw结构。
函数setpwent反绕它所使用的文件，endpwent则关闭这些文件。在使用getpwent查看完口令文件后，一定要调用endpwent关闭这些文件。
函数getpwnam的一个实现：

#include <pwd.h>
#include <stddef.h>
#include <string.h>

struct passwd *getpwnam(const char *name)
{
    struct passwd *ptr;
    setpwent();
    while ((ptr = getpwent()) != NULL)
    {
        if (strcmp(name,ptr->pw_name) == 0) 
            breakl;
    }   
    endpwent();
    return ptr;
}

3、阴影口令

加密口令是经过单项加密算法处理过的用户口令副本。因为此算法是单向的，所以不能从加密口令猜测到原来的口令。
为了不让人获得原始资料（加密口令），现在，某些系统将加密口令存放在另一个阴影口令（shadow password）文件中。该用户至少包含用户名和加密口令。与该口令相关的其他信息也可以存放在该文件中

只有用户登录名和加密口令这两个字段是必须的，阴影口令文件不应是一般用户可以读取的。
有一组函数可以访问阴影口令文件。

#include <shadow.h>
struct spwd *getspnam(const char *name);
struct spwd *getspent(void);
两个函数返回值：若成功，返回指针；若出错，返回NULL
void setspent(void);
void endspent(void);

4、组文件
UNIX组文件的字段包含在 grp.h中定义的group结构中。

字段gr_mem是一个指针数组，其中每个指针指向一个属于该组的用户名。该数组以null指针结尾。
可以用下面函数查看组名或数值组ID。

#include <grp.h>
struct group *getgrpid(gid_t gid);
struct group *getgrnam(const char *name);
返回值：若成功，返回指针；出错，返回NULL

这两个函数也返回一个静态变量的指针，在每次调用时都重写该静态变量。
若要搜索整个组文件，则使用另外几个函数。

#include <grp.h>
struct group *getgrent(void);
返回值：若成功，返回指针；；若出错或者到达文件尾端，返回NULL
void setgrent(void);
void endgrent(void);

5、附属组

在UNIX系统中，对组的使用已经做了更改。在V7中，每个用户任何时候都只属于一个组。当用户登录时，系统就按口令文件记录项中的数值组ID，付给他实际组ID。可以在任何时候执行newgrp(l)以更改组ID。如果newgrp执行成功，则实际组ID更改为新的组ID，将用于后续的文件访问权限检查。执行不带任何参数的newgrp，则可返回到原来的组。

在使用附属组时，我们不仅可以属于口令文件记录项中组ID所对应的的组，也可属于多至16个另外的组。文件访问权限检查相应的被修改为：不仅将进程的有效组ID与文件的组ID进行比较，而且也将所有附属组ID与文件的组ID进行比较。

使用附属组ID的有点事不必显式的经常更改组。一个组用户会参与多个项目，因此也就要同时属于多个组。

为了获取和设置组ID，提供如下函数

#include <unistd.h>
int getgroups(int gidsize, gid_t grouplist[]);
返回值：若成功，返回附属组ID数量；若出错，返回-1
#include <grp.h>
int setgroups(int ngroups, const gid_t grouplist[]);
#include <grp.h>
int initgroups(const char *username, gid_t basegid);
两个函数返回值：若成功，返回0；出错，返回-1

6、其他数据文件

UNIX还有很多其他文件，如记录各网络所提供服务的数据文件(/etc/services)，有一个记录协议信息的数据文件(/etc/networks)。
一般情况下，对于每个数据文件至少有3个函数。
（1）get函数：读下一个记录，如果需要，还会打开该文件。这种函数通常返回指向一个结构的指针，如果要保存其内容，则需复制它。
（2）set函数：打开相应数据文件，然后反绕该文件。如果希望在相应文件起始处开始处理，则调用此函数。
（3）end函数：关闭相应数据文件。在结束了对相应数据文件的读、写操作后，总应调用此函数关闭所有相关文件。

如下为访问系统数据文件的一些例程：

7、登陆账户记录

大多数UNUX系统都提供下列两个数据文件：utmp文件记录当前登陆到系统的各个用户：wtmp文件跟踪各个登陆和注销事件。每次写入这两个文件的是包含下列结构的一个二进制记录：

struct utmp {
    char ut_line[8];/* tty line: "ttyh0","ttyd0", "ttyp0,..." */
    char ut_name[8]; /*login name*/
    long it_time;    /*seconds since Epoch*/
};

登录时，login程序填写此类型结构，然后将其写入到utmp文件中，同时也将其添写到wtmp文件中。注销时，init进程将utmp文件中相应记录擦除，并将一个新纪录添写到wtmp文件中。在wtmp文件的注销记录中，ut_name字段清除为0.在系统再启动时，以及更改系统时间和日期的前后，都在wtmp文件中追加特殊的记录项。who（l）程序读取utmp文件，并以可读格式打印其内容。后来的UNIX版本提供last（l）命令，它读wtmp文件并打印所选择的记录。

8、系统标识

uname函数，它返回与主机和操作系统有关的信息。

#include <sys/utsname.h>
int uname(struct utsname *name);
返回值：若成功，返回非负值；若出错，返回-1

通过该函数的参数向其传递一个utsname结构的指针，然后该函数填写此结构。

struct ustname {
char sysname[]; /操作系统名称/
char nodename[]; /节点名/
char release[]; /当前发行的操作系统/
char version[]; /系统版本/
char machine[]; /硬件类型名/
}
每个字符串都以null字节结尾。utsname结构中的信息通常用uname(l)命令打印。

gethostname函数，返回主机名，该名字通常是TCP/IP网络上主机的名字。

#include <unistd.h>
int gethostname(char *name, int namelen);
返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

namelen参数指定name缓冲区长度，如若提供足够的空间，则通过name返回的字符串以null字节结尾。如若没有提供足够的空间，则没有说明通过name返回的字符串是否以null结尾。
如果宿主主机连接到TCP/IP网络中，则此主机名通常是该主机的完整域名。
hostname(l)命令可用来获取和设置主机名。

9、时间和日期例程

UTC时间是公元1970年1月1日00:00:00这一特定时间以来经过的秒数。这种秒数是以数据类型time_t表示的，我们称它为日历时间。日历时间包括时间和日期。
time函数当前时间和日期。

#include <time.h>
time_t time(time_t *calptr);
返回值：若成功，返回时间值；若出错，返回-1

时间值作为函数值返回。如果参数非空，则时间值也存放在由calptr指向的单元内。
clock——gettime函数可用于获取指定时钟的时间。返回的时间在timespec结构中，表示为秒和纳秒。

#include <sys/time.h>
int clock_gettime(clockid_t clock_id, struct timespec *tsp);
返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

要对特定的时钟设置时间，可以调用clock_settime函数。

#include <sys/time.h>
int clock_settime(clockid_t clock_id, const struct timespec *tsp);
返回值：若成功，返回0；若出错，返回-1

我们需要适当的权限来更改时钟值，打哪会有些时钟是不能修改的。

#include <sys/time.h>
int gettimeofday(struct timeval *restrict tp, void *restrict tzp);
返回值：总是返回0

tzp的唯一合法值是NULL,其他值将产生不确定的结果。gettimeofday函数以距特定时间（1970年1月1日00:00:00）的秒数的方式将当前时间存放在tp指向的timeval结构中，而该结构将当前时间表示为秒和微秒。
两个函数localtime和gmtime将日历时间转换成分解的时间，并将这些存放在一个tm结构中。

struct tm {
    int tm_sec;
    int tm_min;
    int tm_hour;
    int tm_mday;
    int tm_mon;
    int tm_year;
    int tm_wday;
    int tm_yday;
    int tm_isdst;
};

#include <time.h>
struct tm *gmtime(const time_t *calptr);
struct tm *localtime(const time_t *calptr);
返回值：指向分解的tm结构的指针；若出错，返回NULL

localtime和gtime之间的区别是：localtime将日历时间转换成本地时间，而gmtime则将日历时间转换成协调统一时间的、年、月、日、时、分、秒、周日分解结构。
函数mktime以本地时间的年、月、日等作为参数，将其变换成time_t值。

#include <time.h>
time_t mktime(struct tm *tmptr);
返回值：若成功，返回日历时间；若出错，返回-1

函数strftime是一个类似于printf的时间值函数。

#include <time.h>
size_t strftime(char *restrict buf, size_t maxsize, const char *restrict format, const  struct tm *restrict tmptr);
size_t strftime_l(char *restrict buf, size_t maxsize,const char *restrict format, const struct tm *restrict tmptr, locale_t locale);
返回值：若有空间，返回存入数组的字节数；否则，返回0

格式化结果存放在一个长度为maxsize个字符的buf数组中，如果buf长度足以存放格式化结果及一个null终止符，则返回在buf中存放的字节数；否则返回0。
format参数控制时间值的格式。

以下例子演示如何使用strftime打印当前日期和时间的字符串。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main(void)
{
    time_t t;
    struct tm *tmp;
    char buf1[16];
    char buf2[64];

    time(&t);
    tmp = localtime(&t);
    if (strftime(buf1, 16, "time and date: %r, %a %b %d, %Y",tmp) == 0)
        printf("buffer1 length is too small\n");
    else 
        printf("%s\n",buf1);
    if (strftime(buf2, 64, "time and date: %r, %a %b %d, %Y",tmp) == 0)
        printf("buffer2 length is too small\n");
    else 
        printf("%s\n",buf2);
    return 0;   
}

执行结果为：

strptime函数是strftime函数反过来的版本，把字符串时间转换成分解时间。

#include <time.h>
char *strptime(const char *restrict buf, const char *restrict format, struct tm *restrict tmptr);
返回值：指向上次解析的字符的下一个字符的指针；否则，返回NULL

format参数给出了buf参数指向的缓冲区的字符串的格式。虽然与strftime函数的说明稍有不同，但是格式说明是类似的。

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