深入理解 Linux 文件權限：從 ACL 到擴展屬性，解剖底層技術細節與命令應用

Linux 以其強大而精密的文件權限和屬性管理機制著稱，這一體系不僅是系統安全的關鍵基石，還為靈活性和擴展性提供了堅實支撐。從傳統的九位權限模型到訪問控制列表（ACL）、擴展文件屬性（Extended Attributes）以及文件屬性，Linux 在內核與文件系統層面的協同設計，構建了一個層次分明且功能豐富的權限管理框架。本文將深入剖析這些機制的底層實現原理，詳細闡述相關查看與設置命令的使用方法，幫助讀者全面理解其技術本質與操作細節。

一、傳統文件權限的原理與命令應用

1.1 底層原理

Linux 的傳統文件權限遵循 POSIX 標準，通過九位權限位（rwxrwxrwx）定義訪問控制：

讀（r）：允許讀取文件內容或列出目錄條目。
寫（w）：允許修改文件內容或增刪目錄中的條目。
執行（x）：允許運行可執行文件或進入目錄。

這些權限信息存儲在文件系統的 inode（索引節點）中。每個文件或目錄關聯一個唯一的 inode，其中的 mode 字段（16 位）承載權限數據，低 12 位具體劃分為：

9 位常規權限：按屬主（owner）、屬組（group）、其他人（others）分組，每組三位（rwx）。
3 位特殊權限：包括 SUID（Set User ID）、SGID（Set Group ID）和 Sticky 位，用于擴展權限行為。

權限與用戶身份（UID）和組身份（GID）綁定，分別存儲在 inode 的 i_uid 和 i_gid 字段中。內核通過虛擬文件系統（VFS）層執行權限檢查，流程如下：

獲取調用進程的 有效 UID 和 GID，可能因 SUID 或 SGID 被調整。
從目標文件的 inode 中提取 mode 字段。
依次比對屬主、屬組和其他人的權限位，判斷是否滿足操作要求。
若權限不足，返回 EACCES（權限拒絕）錯誤。

特殊權限的實現依賴內核對進程上下文的動態調整：

SUID：執行時，進程的權限以文件屬主的 UID 運行，而非調用者的 UID。
SGID：對目錄應用時，新建文件繼承目錄的 GID；對文件應用時，以屬組權限執行。
Sticky：限制非屬主用戶刪除目錄中的文件，即使有寫權限。

1.2 查看與設置命令

查看權限：ls -l
顯示文件的權限、屬主和屬組信息：
```
ls -l script.sh
-rwxr-xr-x 1 alice users 1024 Mar 1 14:30 script.sh
```
- -rwxr-xr-x：屬主 rwx（7），屬組 r-x（5），其他 r-x（5），八進制為 0755。
- alice 和 users 分別對應 UID 和 GID 的符號表示。

查看詳細信息：stat
提供 inode 的完整元數據：

stat script.sh
# 輸出（部分）：
Access: (0755/-rwxr-xr-x)  Uid: (1000/alice)   Gid: (100/users)

設置權限：chmod

符號模式：針對特定用戶組調整權限：

chmod u+x script.sh        # 屬主添加執行權限
chmod g-w,o-r script.sh    # 組移除寫權限，其他移除讀權限

八進制模式：一次性設定所有權限：

chmod 644 report.txt       # 屬主讀寫（6），組和其他只讀（4）
ls -l report.txt
-rw-r--r-- 1 alice users 0 Mar 1 14:30 report.txt

設置特殊權限：chmod

SUID：

chmod u+s script.sh
ls -l script.sh
-rwsr-xr-x 1 alice users 1024 Mar 1 14:30 script.sh

SGID：

chmod g+s /shared
ls -ld /shared
drwxr-sr-x 2 alice users 4096 Mar 1 14:30 /shared

Sticky：

chmod +t /tmp
ls -ld /tmp
drwxrwxrwt 10 root root 4096 Mar 1 14:30 /tmp

設置屬主與組：chown 和 chgrp

修改屬主：
```
chown bob script.sh
```
修改屬組：
```
chgrp dev script.sh
```

同時修改：

chown bob:dev script.sh
ls -l script.sh
-rwxr-xr-x 1 bob dev 1024 Mar 1 14:30 script.sh

1.3 局限性

傳統權限模型的靜態設計和粒度不足限制了其在復雜場景下的應用。例如，無法為特定用戶單獨授權，需依賴組管理，多人協作需頻繁調整組，這些局限性增加了操作復雜性和誤操作風險。

二、訪問控制列表（ACL）的原理與命令應用

2.1 底層原理

訪問控制列表（ACL）是對傳統權限的擴展，旨在實現更精細的權限控制。其核心數據存儲在文件系統的 擴展屬性 中，分為兩種類型：

訪問 ACL：存儲于 system.posix_acl_access，定義文件的當前訪問權限。
默認 ACL：存儲于 system.posix_acl_default，僅適用于目錄，控制新建文件或子目錄的初始權限。

ACL 的數據結構由多個 ACE（Access Control Entry，訪問控制條目） 組成，每個 ACE 包含：

類型：如 ACL_USER（特定用戶）、ACL_GROUP（特定組）、ACL_MASK（掩碼）。
標識符：關聯的 UID 或 GID。
權限：rwx 的位組合。

ACL 的底層實現依賴文件系統的元數據擴展能力。內核通過 VFS 層處理 ACL 的權限檢查，具體流程如下：

調用文件系統的 get_acl() 函數，從擴展屬性中讀取 ACL 數據。
若檢測到擴展 ACL，則覆蓋傳統權限的檢查邏輯。
遍歷所有 ACE，匹配調用進程的 UID 或 GID，確定適用權限。
掩碼（Mask）機制：通過 ACL_MASK 定義擴展條目（除屬主和基本組外）的權限上限，確保權限不會超出預期范圍。
繼承邏輯：當創建新文件時，內核檢查父目錄的 system.posix_acl_default，并將其復制到新文件的 system.posix_acl_access 中。

ACL 的實現需要文件系統支持（如 ext4、xfs、btrfs），并通過掛載選項 acl 啟用，例如在 /etc/fstab 中添加 acl 參數。

2.2 查看與設置命令

查看 ACL：getfacl
用于查看文件的 ACL 配置，返回詳細的權限條目：
```
getfacl /projects
# 輸出：
# file: projects
# owner: alice
# group: users
user::rwx
user:bob:rwx
user:carol:r--
group::r-x
mask::rwx
other::r-x
```
- 常用選項：
  - -R：遞歸顯示子目錄和文件的 ACL。
  - -p：顯示絕對路徑，避免相對路徑歧義。
  - -c：省略注釋行（如 # file:），簡化輸出。

設置 ACL：setfacl

修改權限（-m）：
```
setfacl -m u:bob:rwx,u:carol:r /projects
```
為用戶 bob 設置讀寫執行權限，為 carol 設置只讀權限。
設置默認 ACL（-d）：
```
setfacl -d -m u:bob:rwx /projects
```
確保 /projects 下的新建文件自動繼承 bob 的 rwx 權限。

調整掩碼：

setfacl -m mask:r-- /projects
getfacl /projects
# user:bob:rwx    #effective:r--

掩碼將 bob 的實際權限限制為只讀。

移除 ACL：

setfacl -x u:carol /projects  # 刪除 carol 的 ACL 條目
setfacl -b /projects          # 清除所有 ACL，恢復傳統權限

三、擴展屬性（Extended Attributes）的原理與命令應用

3.1 底層原理

擴展屬性（Extended Attributes，簡稱 EA）是文件系統提供的元數據擴展機制，以鍵值對的形式存儲附加信息，不影響文件的主要內容。EA 被劃分為多個命名空間：

user.：用戶自定義屬性，普通用戶可操作（需啟用 user_xattr）。
system.：系統專用屬性，如 ACL 數據（system.posix_acl_access）。
security.：安全相關屬性，如 SELinux 的上下文。
trusted.：僅 root 可訪問的高權限屬性。

擴展屬性的存儲方式因文件系統不同而異：

ext4：小型屬性直接嵌入 inode 的額外空間（若啟用 inline_xattr），大型屬性存儲在單獨的數據塊中，通過 inode 的 i_file_acl 字段引用。
xfs：采用 B+ 樹結構管理，支持高效檢索和大容量存儲。
btrfs：將擴展屬性集成到文件系統的鍵值樹中，與其他元數據統一管理。

內核通過系統調用（如 setxattr()、getxattr()、removexattr()）操作擴展屬性，VFS 層負責將請求轉發到具體的文件系統實現。這些屬性的訪問受限于文件的所有權和掛載選項（如 user_xattr）。

3.2 查看與設置命令

查看屬性：getfattr
用于提取文件的擴展屬性：
```
getfattr -d report.pdf
# 輸出：
# file: report.pdf
user.description="Project report"
```
- 常用選項：
  - -n <name>：指定查看某個屬性，例如 getfattr -n user.description report.pdf。
  - -R：遞歸查看目錄下的所有文件屬性。
  - -e hex：以十六進制格式輸出原始數據，便于調試。
設置屬性：setfattr
- 添加或修改屬性：
```
setfattr -n user.description -v "Project report" report.pdf
```
  設置鍵 user.description 的值為 “Project report”。
- 移除屬性：
```
setfattr -x user.description report.pdf
```
  刪除指定的擴展屬性。

四、文件屬性的原理與命令應用

4.1 底層原理

文件屬性存儲在 inode 的 flags 字段（32 位），為文件操作提供額外的限制或優化。常見的屬性包括：

EXT4_IMMUTABLE_FL（i）：表示文件不可改變（immutable），禁止修改內容、刪除、重命名或創建硬鏈接。
EXT4_APPEND_FL（a）：表示文件僅允許追加寫入，禁止覆蓋現有內容。
EXT4_EXTENTS_FL（e）：表示文件數據使用 extents（連續范圍）存儲，而非傳統的塊鏈表，提升大文件的讀寫效率。

這些屬性的實現依賴內核在文件操作時的檢查邏輯：

i 屬性：內核攔截 write、unlink、rename、link 等系統調用，返回 EPERM（操作不被允許）。只有 root 或具有 CAP_LINUX_IMMUTABLE 能力的用戶可以設置或移除此屬性。
a 屬性：內核強制文件以追加模式（O_APPEND）打開，阻止覆蓋寫入操作，常用于日志文件保護。
e 屬性：由文件系統（如 ext4）自動管理，標記文件是否使用 extents 存儲數據。它與權限無關，僅優化存儲結構，無法通過用戶命令手動設置或移除。

文件屬性的存儲和檢查完全依賴 inode 的 flags 字段，具體位定義在內核源碼（如 fs/ext4/ext4.h）中。這些屬性與傳統權限和 ACL 獨立運行，形成額外的保護層。

4.2 查看與設置命令

查看屬性：lsattr
顯示文件的屬性標志：
```
lsattr /etc/resolv.conf
----i----------- /etc/resolv.conf
```
- 輸出解析：i 表示 immutable，- 表示未設置其他屬性。
- 常用選項：
  - -R：遞歸查看目錄及其內容的屬性。
  - -a：包括隱藏文件（如 . 開頭的文件）。
  - -d：僅顯示目錄自身的屬性，而非其內容。

設置屬性：chattr

添加屬性：

sudo chattr +i /etc/resolv.conf   # 設置不可變屬性
sudo chattr +a /var/log/messages  # 設置僅追加屬性

檢查效果：

echo "test" > /etc/resolv.conf   # 失敗：Operation not permitted
echo "test" >> /var/log/messages # 成功，僅追加

移除屬性：

sudo chattr -i /etc/resolv.conf   # 移除不可變屬性
sudo chattr -a /var/log/messages  # 移除僅追加屬性

注意：e 屬性無法通過 chattr 設置或移除，它由 ext4 文件系統在創建大文件時自動應用。

五、總結

Linux 文件權限體系通過多層次的設計實現了從基礎到高級的管理能力：

傳統權限：基于 inode 的 mode 字段，提供靜態的權限控制，通過 ls -l 查看，chmod 和 chown 設置。
ACL：利用擴展屬性實現動態權限分配，getfacl 查看，setfacl 配置。
擴展屬性：為元數據擴展提供基礎，getfattr 查看，setfattr 操作。
文件屬性：通過 inode 的 flags 字段增加操作限制，lsattr 查看，chattr 設置。

這些機制在內核 VFS 和文件系統的協同下，結合 inode、擴展屬性等底層數據結構，形成了 Linux 文件管理的核心框架。