第24讲 · 文件系统 API（1）

2026 南京大学《操作系统原理》第二十四讲 · 课堂实录重构


主讲	蒋炎岩（Yanyan Jiang）
视频	https://www.bilibili.com/video/BV1hAGr6vEi9/
课程主页	https://jyywiki.cn/OS/2026/
本讲讲义	https://jyywiki.cn/OS/2026/lect24.md
讲义 / 幻灯片作者	蒋炎岩，https://jyywiki.cn/
讲义 / 幻灯片许可	CC BY-NC 4.0
图片来源	书中插图为课堂演示与讲义渲染图；演示类截图为视频画面

对应讲次：第24讲（南京大学操作系统原理）

制作模型：deepseek-flash（coding-agent / pi；据 ~/.pi/agent/settings.json）

编者说明：本书由课堂录像的语音字幕重构而成，术语、章节骨架与参考链接已按课程官方讲义（lect24.md）校准。讲师的口语风格、类比与案例被尽量保留；编辑性的补充一律以「编者说明」或「编者拓展」标出。

引子

(参考时间: 00:00)

存储（block）设备的抽象其实很简单：read_block(id) / write_block(id, data)——剩下的复杂性不用你操心（设备上专门有一台计算机来处理这些请求，FTL……）。

让进程直接访问设备文件？open("/dev/mmcblk0p1", O_RDWR) 然后 lseek——「那不就全乱套了吗！」（共享一个数据结构非常麻烦，Malloc Lab 已经教育过你们）。我们需要一个抽象层：文件系统。

编者说明：本次课讲人类使用的文件系统 API；下次课讲程序（AI Agent）使用的文件系统 API。

一、从块设备到文件系统

1.1 Abstract Data Type：从虚拟内存到虚拟磁盘

(参考时间: 00:03)

我们已经对内存做过一次抽象：

DRAM → (MMU) 虚拟地址空间 → malloc/free → list, set, map, …
      物理内存 random access char[]  → 虚拟内存 → 空洞管理 → 数据结构

既然可以在 RAM 上实现 Abstract Data Type，没道理不能在磁盘上实现——「无非就是 block v.s. word 访问的区别」。于是：内存 → 虚拟内存；磁盘 → 虚拟磁盘（字节序列 vector<char>）。「转了一圈，又回到 virtualization 了。」

文件（file）：文字、符号固定于纸张等载体上的信息记录——在计算机里就是一个变长的字节序列，支持 read、write、lseek、ftruncate……

新需求：怎么管理系统中众多的文件？「对人类来说，PID 已经是一个很糟糕的抽象了（一个随机的数字，你不知道它是什么意思）；如果再来一个 FID 就全乱套了。」

1.2 目录树：建一个图书馆

(参考时间: 00:09)

管理文件的方法：建一个图书馆！ 背后的原理是信息的局部性——系统中的文件可以组织成层次索引结构（就像图书馆的中图法：文学区 → 虚构/非虚构 → ……）。

📷 目录树：像图书馆中图法一样，用层次索引结构利用信息的局部性
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.（当前目录）和 ..（上一级目录）是实现细节——本质上是一个数据结构。隐藏文件不是操作系统的行为，只是为了偷懒：busybox/coreutils 的 ls.c 里一行代码就实现了——

while ((entry = readdir(dir)) != NULL) {
    if (entry->d_name[0] == '.') {
        if (!(option_mask32 & (OPT_a|OPT_A))) continue;   // 就是这一行
        ...
    }
}

📷 `.` 和 `..` 是真实的目录项，让目录树成为一个带环的数据结构
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编者拓展｜「我已经把完整的 database 交给 AI 了」：讲师说，「我已经把所有数据都文本化了」——「我是谁、最近干了什么、所有和某件事相关的文档（比如学生守则），都放进文件系统。」他甚至设想：「每天晚上打开 Claude Code，问一句『我今天会被开除吗』——因为学生手册里有旷课到一定程度会被开除的条款。」用文件系统管理世界一切信息，而且很容易找到它。

1.3 设备 = 目录树

(参考时间: 00:16)

然而，系统中不止一个存储设备——每个设备、每个 partition 都是一个目录树：/dev/nvme0n1p1（Namespace 1, Partition 1）、优盘、网络（WebDAV）。

$ lsblk -f    # 列出所有 block device 及其 mount point

📷 lsblk：系统中多个 block device，每个 partition 都对应一棵目录树
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操作系统设计者首先要面对「文件系统」对象的管理。 至少有两套方案：

Windows：所有操作系统对象的根 \（例如 \Device\HarddiskVolume1、\Driver\Ntfs）——这个 \ 不能 cd，但可以用 API 访问：

HANDLE hDevice = CreateFile(
    "\\\\.\\PhysicalDrive0", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
    FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE, NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL);

$Windows 的对象根 `\`：盘符其实是 `\??\C:\` 的别名，`\\server\share` 是 UNC 网络路径$

📷 Windows 的对象根 `\`：盘符其实是 `\??\C:\` 的别名，`\\server\share` 是 UNC 网络路径
回到原视频 (00:19:00)

编者拓展｜为什么系统盘是 C 盘？ 因为 A: 和 B: 是软盘（第一个/第二个软盘驱动器），在没有硬盘的时代就固定下来了。「所以硬盘出现时只能往后放，C 盘就是你们的系统盘。」而 \?? 是 per-user 的命名空间——「\\server\share 对两个不同用户可以解析成不同的东西。Windows 为用户隐藏了巨量的复杂性。」

从无到有的目录树：操作系统需要一个 API，把设备的目录树「放」到世界里——mount：

mount -t iso9660 /dev/cdrom /mnt/cdrom     # ISO 9660 (CD)
# UDF (DVD, Blue-Ray)

📷 现场挂载一张 Win98 光盘：探测文件系统、ioctl 读容量，最终 mount 出一棵只读目录树
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编者说明：ISO 9660 就是一种「数据结构」——struct iso9660_primary_descriptor 里有 standard_id[5]（必须是 "CD001"）、system_id、volume_id……在字节序列的正确位置放一个 CD001 字符串，操作系统就能定位并解析它，把设备变成一个目录树。

1.4 Aside：挂载一个文件（loopback device）

(参考时间: 00:32)

mount 必须要求一个块设备——那 fs.img（一个文件）怎么办呢？

答案：创建一个 loopback（回环）设备——设备驱动把设备的 read/write 翻译成文件的 read/write：

// drivers/block/loop.c —— 实现的是 loop_mq_ops（不是 file_operations）
ioctl(3, LOOP_CTL_GET_FREE);      // 分配一个空闲的 loop 设备（返回编号）
ioctl(4, LOOP_SET_FD, 3);         // 绑定到镜像文件的 fd

📷 strace 里的 loopback 创建：LOOP_CTL_GET_FREE 分配编号，LOOP_SET_FD 绑定镜像文件
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📷 loopback 设备：把一个普通文件变成「块设备」，从而可以被 mount
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编者说明：用 strace 观察挂载文件的流程：先以只读方式打开镜像探测文件系统类型（mount 系统调用本身要求你告诉它文件系统类型，否则直接拒绝）→ 打开 /dev/loop-control → ioctl(LOOP_CTL_GET_FREE) 拿到编号 0 → 访问 /dev/loop0 → 再执行真正的 mount。「你只要记住：操作系统会创建一个 loopback device——这句话到底意味着什么，strace 里全都有。」

编者拓展｜FHS（Filesystem Hierarchy Standard）：/usr、/home、/mnt……这些都是标准规定的。FHS enables software and user to predict the location of installed files and directories.「虽然现在这个标准显得有点过时，但依然让你感到安心。」——「macOS 内核其实是 UNIX（BSD），但不遵循 Linux FHS，所以体验不一样。」

编者说明：eject 命令也是 ioctl——它 open 打开 /dev/sr0，然后用 ioctl 触发 CD-ROM eject。

📷 `eject`：用 ioctl 控制光驱弹出——设备控制几乎全部塞进 ioctl
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二、目录树 API

2.1 增删改查与 globbing

(参考时间: 00:38)

int mkdirat(int dirfd, const char *pathname, mode_t mode);       // 创建目录
int unlinkat(int fd, const char *path, int flag);                // 删除
ssize_t getdents64(int fd, void *dirp, size_t count);            // 读取目录

Globbing（通配符）是 shell 的功能——echo /etc/**/* 会被 bash 转换成参数，所以直接 strace 看不到 globbing 过程，要把它包在 bash -c 里才能看到大量的 open + getdents64。

编者拓展｜Agent 的「四大技能」：Read, Write, Grep, Glob 加上 Bash，就可以完成几乎所有的运维工作。讲师实现了 globbing 演示，并指出 fzf、find 背后都是同样的增删改查 API。

2.2 硬链接

(参考时间: 00:41)

需求：系统中可能有同一个运行库的多个版本（libc-2.27.so、libc-2.26.so……），还需要一个「当前版本的 libc」（程序需要链接 libc.so.6）——能否避免文件的一份拷贝？

硬（hard）链接：允许一个文件被多个目录引用（ls -i 可以看到 inode 编号）：

$ ln a.txt b.txt     # 或 link/linkat 系统调用
$ ls -li a.txt b.txt
# 同一个 inode 编号 —— 同一个文件

文件也是有 ID 的（FID，用于文件系统内部实现）；
删除文件的系统调用叫 unlink（引用计数 --）——只有引用计数减到 0，文件对象才真正被回收；
不能链接目录、不能跨文件系统（点和点是例外）。

📷 硬链接：`ls -i` 显示两个名字指向同一个 inode
回到原视频 (00:43:00)

编者说明：为什么不能链接目录？「很容易形成环——一个环从整个目录树里 detach 之后，引用计数就永远不为 0，那个环回收不了。」

2.3 软链接

(参考时间: 00:45)

软（symbolic）链接：在文件里存储一个「跳转提示」——软链接也是一个文件，里面以文本形式存着另一个文件的绝对/相对路径：

可以跨文件系统、可以链接目录、甚至可以链接自己、可以有环；
路径解析时，碰到符号链接就把它的内容拼到路径上继续找。

📷 软链接：在文件里存一段「跳转提示」文本，路径解析时替换
回到原视频 (00:47:00)

编者拓展｜Windows「快捷方式」的复杂：它比你想象的复杂——文件重命名、移动、U 盘驱动器号改变……都能正确找到。「为解决一个问题带来了更多问题 😂」

用软链接制作文字冒险游戏（Galgame）：Symlink Game——把每个状态做成一个目录，每个选项做成一个符号链接指向另一个状态目录。于是：

cd 2 = 选择一个选项；
cd .. = 时光回溯到上一层状态；
pwd = 你所有的游戏历史（因为你是「一路 cd 进来的」）；
可以成环——「你看它成环了！」

📷 用符号链接实现的 Galgame 引擎：状态机 = 目录树，选项 = 符号链接
回到原视频 (00:50:00)

软链接还可以「伪造」文件系统——Nix：

把所有软件包的所有版本集中存储在 /nix/store/b6gvzjyb2pg0kjfwrjmg1vfhh54ad73z-firefox-33.1（由软件包 hash 决定，完全 deterministic）；
然后用符号链接构建一个完全虚拟的环境：nix-shell -p python3 nodejs；
这是一个 persistent data structure——还记得吗？Random read + append-only write = 任意数据结构：/nix/store 只增不减，符号链接就是 random read；
随时回滚（nix-env --switch-generation）、随地构建（nix-shell）。

📷 Nix：所有版本集中存于只增不减的 /nix/store，用符号链接拼出任意环境
回到原视频 (00:54:00)

编者说明：对比 apt——「所有的修改都是 in-place 的」。而 Nix 是 functional package manager，「只增不减」。「今天的版本答案你甚至不需要知道 Nix 的语法——直接打开 AI agent 说『帮我 create 一个隔离的 Python 环境 latest』就行。」

三、文件的元数据

3.1 为文件增加属性

(参考时间: 00:58)

软件 = 物理世界在信息世界的投影——我们还希望「byte array」有自己的「personality」：

$ ls -l example.txt
-rw-r--r-- 1     alice staff 1024 Mar 10 12:34 example.txt
mode       link  owner group size modified     name

Type：d（directory）、l（link）、p（pipe）、c（char）、b（block）；
Mode：rwx（user, group, other）——例：0o755 = rwx(111) r-x(101) r-x(101)；
Links：引用计数（硬链接，包括目录）。

📷 `ls -l`：文件的 Type / Mode / Links / Owner / Size 等元数据
回到原视频 (01:01:00)

编者说明：chmod 777 让所有人都能读写执行；chmod 000 全部清掉；但 root（0 号用户）总是能访问所有文件——open 系统调用会返回 EACCES（permission denied）。FAT 文件系统没有权限概念（「所以软盘插到任何设备上任何人都能读写它」）。

编者拓展｜隐藏其实是 procfs 的「欺骗」：/proc/<tid> 实际存在、可以 cd 进去、可以 cat status，但 ls 看不到它（getdents64 里不返回）。「因为我们想要的是只有我自己在用电脑时才显示学习资料，别人在旁边时隐藏——可现在计算机不支持表达这样的 policy。这就是革命的机会。」

3.2 Extended Attributes（xattr）

(参考时间: 01:10)

每个文件可以维护一个任意的 key-value dictionary：

ssize_t fgetxattr(int fd, const char *name, void value[.size], size_t size);
int fsetxattr(int fd, const char *name, const void value[.size], size_t size, int flags);

例子：macOS 的 com.apple.metadata 会保存每个互联网下载文件的 url（还有下载进度、签名……）；
致命的缺陷：这是后加的特性——不是所有文件系统都支持，兼容性奇差（cp 需要 --preserve=xattr 才能保留 xattrs，否则「悄悄地消失」）。

📷 xattr：为文件维护一个任意 key-value 字典（`setfattr` / `getfattr`）
回到原视频 (01:11:00)

编者拓展｜vectorfs：「好用不火」的文件系统特性：「vfs search cat static/Photos/ | claude -p --summary——这不比 iPhone 的 Photo Search 好用多了？」讲师甚至断言：「目录树也是个妥协——图书馆的索引系统其实可以淘汰了，一本书的内容就是它的索引。路径 → 结构化查询（wildcard & globbing）→ 智能检索。」

3.3 Access Control List（ACL）

(参考时间: 01:16)

比 user/group/other 更精细的访问控制：

setfacl -m u:jyy:--- file      # 拒绝特定用户的访问
getfacl file

格式：[d:]:name:perms；
root 会 bypass 这些检查——「从操作系统设计者角度，这是对的：如果 root 不能删除一个文件，那任何人都可以占满存储空间而最高权限的人都删不掉。」

📷 ACL：比 user/group/other 更细粒度的访问控制
回到原视频 (01:17:00)

编者拓展｜面对未知（The Scaling Law）：讲师给出一张幻灯片——Pre-training、SFT 和 test-time scaling（深度思考中），并引用了 Timothy Gowers 的「Kolmogorov complexity modulo experts」。核心态度是：「如果你希望实现一个『飞书文档』，ACL 就是一个很好的选择——你只要知道 fine-grained access control 是可以的，在需要的时候能启发 AI 想到这一点。」

总结

从块设备到文件系统：内存 → 虚拟内存；磁盘 → 虚拟磁盘（文件）；文件系统 = 在 block 上实现的数据结构；
目录树：层次索引结构（图书馆），利用信息的局部性；./.. 是真实目录项；设备 = 目录树（mount）；Windows 的对象根 \ 与盘符；
loopback device：把文件变成块设备，从而可以被 mount；
目录树 API：mkdir/unlink/getdents + globbing；硬链接（引用计数、unlink）与软链接（可跨文件系统、可成环、可做 Galgame、可伪造文件系统 → Nix）；
文件元数据：ls -l 的 Type/Mode/Links；xattr（任意 key-value，但兼容性差）；ACL（细粒度访问控制）；
Takeaway：目录（链接）和文件（对象）的简洁抽象赋予了我们管理对象的能力。 操作系统的设计者也扩展了文件的元数据，使我们能给文件打上复杂的标签，从而使应用程序（和操作系统）提供更好的服务。

编者拓展｜「没有什么是理解不了的」：这一讲课上，讲师几乎对每一个演示都先 strace、再让 AI 解释——「你只要记住：任何东西你都是可以打得开的。这些 API 要么是驱动帮你 take care 的，要么就是块设备的读写——这些东西加起来就变成了你在操作系统里看到的一切。」

附：官方参考与延伸阅读

本讲的讲义见课程主页，以下链接按书中出现顺序整理：

主题	链接
globbing（persistence 演示）	https://jyywiki.cn/OS/demos/persistence/globbing
Symlink Game（Galgame 引擎）	https://jyywiki.cn/OS/demos/persistence/ggmaker
Nix	https://nixos.org
vectorfs	https://vectorvfs.readthedocs.io/en/latest/
Filesystem Hierarchy Standard (FHS 3.0)	http://refspecs.linuxfoundation.org/FHS_3.0/fhs/index.html
util-linux	https://github.com/util-linux/util-linux
Linux `loop.c`（loopback 驱动）	https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/drivers/block/loop.c
Windows 快捷方式（MS-SHLLINK）	https://learn.microsoft.com/en-us/openspecs/windows_protocols/ms-shllink/
最小 Linux（virtualization 演示）	https://jyywiki.cn/OS/demos/virtualization/linux-minimal
The kernel's command-line parameters	https://www.kernel.org/doc/html/latest/admin-guide/kernel-parameters.html
OSTEP（第 37 章 Files and Directories；第 55 章 Access Control）	https://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/

阅读材料：读 OSTEP 第 37 章（Files and Directories）与第 55 章（Access Control）；在自己的系统上 strace 一次 mount。

版权说明：本讲讲义与幻灯片作者为蒋炎岩，采用 Creative Commons BY-NC 4.0 许可，来源于 https://jyywiki.cn/OS/2026/。视频画面与字幕版权归原作者所有。本书为课堂内容的学习性重构。