CSCI3150 T11 文件系统API

课程：CSCI3150 Introduction to Operating Systems · 2025T2 本讲：T11 文件系统API · 原件 T11-文件系统API-2025T2.pptx（本地课件） · PDF页码副本（本地课件） p.1–21 定位：从inode元数据回到文件名、描述符与目录接口，区分删除名字和释放对象。前后：演练 L04、L05；后接 T12。

逐页伴读

p.1–3：文件系统接口复习入口

p.1 Tutorial 11: File System API

CSCI3150 Introduction to Operating Systems, Spring 2026

封面2026年4月2日，p.2作业发布/截止是历史信息；p.3为结构章节标题。对应主讲L04接口、L05实现。

p.4–5：inode存属性与块索引，目录存名字关系

p.4 Divide the disk into blocks (Blk size is 4KB)

Address from 0 to N-1

Superblock: contains metadata information for a file system

Bitmap: each bit indicated free (0) or in-use (1)

Inode/Data Bitmap: for inode/data region

Inode blocks: meta-information of a file + pointers to the data blks

File/directory/link/device/socket all have inode

Metadata: File size, permissions, owner, timestamps, etc.

Data blocks: Store the data

p.5 Each level-0 or outermost inode is divided into several different fields:

File attribute: most of the good stuff that ls -l reports is stored here

Direct mappings: Entries containing direct forward mappings. These mappings provide a mapping from the logical block number to the location of the physical block on disk

Indirect_1 Mappings: Entries containing indirect mapping requiring one level of indirection.

Indirect_2 Mappings: Entries containing indirect mappings requiring two levels of indirection.

Indirect_3 Mappings: Entries containing mappings requiring three levels of indirection.

4KiB块示意把磁盘分superblock、位图、inode区和数据区；位图记录分配状态。inode含权限、大小、时间和数据块指针，目录项连接人类名称与底层对象标识。图p.5直接指针一次到数据块，一级间接先到索引块，二级再多经过一层；层数越多，覆盖能力越大，但冷访问所需元数据读取也增多。

p.6–8：API表按职责读，勿把不同平台混成一个接口族

p.8 stat(): Show the File metadata

metadata is information about each file, ex: size, permission, ..

stat structure is below:

课件程序与接口（p.8，原页片段）

struct stat {
     dev_t st_dev; /* ID of device containing file */
     ino_t st_ino; /* inode number */
     mode_t st_mode; /* protection */
     nlink_t st_nlink; /* number of hard links */
     uid_t st_uid; /* user ID of owner */
     gid_t st_gid; /* group ID of owner */
     dev_t st_rdev; /* device ID (if special file) */
     off_t st_size; /* total size, in bytes */
     blksize_t st_blksize; /* blocksize for filesystem I/O */
     blkcnt_t st_blocks; /* number of blocks allocated */
     time_t st_atime; /* time of last access */
     time_t st_mtime; /* time of last modification */
     time_t st_ctime; /* time of last status change */
};

p.6是API标题，p.7混列POSIX、C库、Python和Windows函数，只为比较职责。rename重命名不等于open/close，opendir/readdir属于目录访问库接口，也不宜一概称为一条独立系统调用。

p.8 stat字段：st_size逻辑字节数，st_blocks已分配块计数，st_blksize建议I/O块大小；st_mtime是内容修改时间，st_ctime是状态更改时间，不是创建时间。

表（p.7）：课件完整字段与状态。 下表保留原页术语和数值；读写轨迹的同一格按原页由上到下排列，空格以“—”表示。

Feature	Description	Examples
File Metadata Handling	Operations to access or modify file metadata such as size, permissions, and modification date.	stat(), os.stat()
File Opening and Closing	Functions to open and close files for various operations like reading, writing.	open(), fopen(), CreateFile(), rename()
File Reading and Writing	Methods to read from and write to files in different modes (binary or text).	read(), write(), fread(), WriteFile()
File Positioning	Functions to manipulate the read/write pointer's position within a file (seek operations).	lseek(), fseek(), SetFilePointer()
File Creation and Deletion	Functions to create or delete files and directories.	unlink(), os.remove(), DeleteFile()
Directory Management	Tools for handling directories, including creation, deletion, and listing contents.	mkdir(), os.mkdir(), shutil.rmtree()
Link Creation and Deletion	Create a direct link to the same underlying file content/shortcut or pointer to another file or directory.	link(), symlink(), unlink()

p.9–11：大小、原子替换与unlink

课件程序与接口（p.9，原页片段）

prompt> echo hello > file
prompt> stat file

File: ‘file’
Size: 6 Blocks: 8 IO Block: 4096 regular file
Device: 811h/2065d Inode: 67158084 Links: 1
Access: (0640/-rw-r-----) Uid: (30686/ root) Gid: (30686/ remzi)
Access: 2011-05-03 15:50:20.157594748 -0500
Modify: 2011-05-03 15:50:20.157594748 -0500
Change: 2011-05-03 15:50:20.157594748 -0500

课件程序与接口（p.10，原页片段）

int fd = open("foo.txt.tmp", O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC);
 write(fd, buffer, size); // write out new version of file
 fsync(fd);
 close(fd);
 rename("foo.txt.tmp", "foo.txt");

p.11 The result of strace to figure out what rm is doing.

rm is Linux command to remove a file

rm calls unlink() to remove a file.

课件程序与接口（p.11，原页片段）

prompt> strace rm foo
...
unlink(“foo”)
...
prompt>

原例 echo hello > file写hello加换行，共6B；stat显示Blocks8、IO Block4096。在该Unix示例的512B计量约定下，8×512=4096B分配空间，与逻辑6B并不矛盾。

保存流程写临时文件→fsync→close→rename替换目标，读者可看到旧或新名字绑定，不应看到重命名的中间一半。原open使用O_CREAT却漏mode参数，真实代码须补，例如0600，并处理短写与错误；若讨论崩溃持久性，目录更新持久化也是额外问题，不能把原子可见性等同绝对落盘保证。

p.11 strace观察rm调用unlink，删除的是目录中的名称引用。尚有其他硬链接或打开引用时，对象可能继续存在。

补充：改名后已经打开的描述符不会自动改接。 假设读者先打开旧目标，写者另写临时文件，再按本节方式把临时文件改名到目标路径。此后重新按该路径打开，找到的是新对象；原读者已经持有的 fd 仍通向它先前打开的对象。路径名的绑定更新和已有打开状态的生命周期是两件事。

因此“原子替换”首先说明观察名称时不应看到人为拆成删除再创建的中间空档，并不是让所有正在读取的进程瞬间切到新内容，也不自动等同于掉电后一定保存。需要持久化保证时，还必须根据文件与目录更新的同步要求处理。回答题目时把名称可见性、已打开引用、磁盘持久性分开，不把一个原子性词语扩成三种保证。

p.12–14：目录不是任意格式的文本

p.12 mkdir(): Make a directory

When a directory is created, it is empty.

Empty directory have two entries: . (itself), ..(parent)

课件程序与接口（p.12，原页片段）

prompt> ls -al
total 8
drwxr-x--- 2 roo root 6 Apr 30 16:17 ./
drwxr-x--- 26 root root 4096 Apr 30 16:17 ../

p.13 readdir()

Directory is a file, but with a specific structure.

When reading a directory, we use specific system call other than read().

A sample code to read directory entries.

课件程序与接口（p.13，原页片段）

int main(int argc, char *argv[]) {
  DIR *dp = opendir("."); /* open current directory */
  assert(dp != NULL);
  struct dirent *d;
  while ((d = readdir(dp)) != NULL) { /* read one directory entry */
   printf("%d %s\n", (int) d->d_ino, d->d_name);
  }
  closedir(dp); /*close current directory */
  return 0;
 }

课件程序与接口（p.14，原页片段）

struct direct {
char d_name[256]; /* filename */
ino_t d_ino; /* inode number */
off_t d_off; /* offset to the next dirent */
unsigned short d_reclen; /* length of this record */
unsigned char d_type; /* type of file */
};

mkdir创建目录，Unix目录示意含.和..；readdir逐个返回目录项，示例打印inode号和名字，最后closedir。返回NULL需结合错误状态区分目录末尾与失败，原assert示例只做简化。

p.14结构名写struct direct，与常用struct dirent不一致；字段具体布局按接口与平台，不能假定所有目录项都固定为课件画的C结构。d_type也可能未知，不能在所有文件系统上完全代替stat。

p.15–17：硬链接给同一对象再添名字

p.15 rmdir(): Delete a directory.

rmdir()requires directory be empty before it deleted.

If you call rmdir()to a non-empty directory, it will fail.

p.16 link(): Link old file and a new file.

Create hard link named file2.

The result of link()

Two files have same inode number, but two human name(file, file2)

课件程序与接口（p.16，原页片段）

prompt> echo hello > file
prompt> cat file
hello
prompt> ln file file2 /* create a hard link, link file to file2 */
prompt> cat file2
hello

课件程序与接口（p.16，原页片段）

prompt> ls -i file file2
67158084 file  /* inode value is 67158084 */
67158084 file2 /* inode value is 67158084 */
prompt>

p.17 How to create hard link file?

Step1. Make an inode, track all information about the file.

Step2. Link a human-readable name to file.

Step3. Put link file into a current directory.

After creating a hard link to file, old and new files have no difference.

Thus, to remove a file, we call unlink().

rmdir要求目录空。原例ln file file2后两个名字都显示inode67158084，说明共享同一inode；修改数据经任一名字都作用到同一对象。p.17“Make an inode”描述若用于已有文件的新硬链接并不准确：link新增目录项并增加链接数，不为同一文件复制一份新inode。

p.18–20：最后一个名字删除，不一定立刻释放

p.18 What unlink() is doing ?

Check reference count within the inode number.

Remove link between human-readable name and inode number.

Decrease reference count.

When only it reaches zero, It delete a file (free the inode and related blocks)

p.19 Symbolic link

Special file that contains path to the source directory.

Hard Link cannot create to a directory.

Hard Link cannot create to a file to other partition.

An example of symbolic link

课件程序与接口（p.19，原页片段）

prompt> echo hello > file
prompt> ln –s file file2  /* option –s : create a symbolic link, */
prompt> cat file2
hello

p.20 Symbolic link is different file type.

Symbolic link is subject to the dangling reference.

课件程序与接口（p.20，原页片段）

prompt> ls -al
drwxr-x--- 2 remzi remzi 29 May 3 19:10 ./
drwxr-x--- 27 remzi remzi 4096 May 3 15:14 ../       /* directory */
-rw-r----- 1 remzi remzi 6 May 3 19:10 file          /* regular file */
lrwxrwxrwx 1 remzi remzi 4 May 3 19:10 file2 -> file /* symbolic link */

课件程序与接口（p.20，原页片段）

prompt> echo hello > file
prompt> ln -s file file2
prompt> cat file2
hello
prompt> rm file
prompt> cat file2
cat: file2: No such file or directory

unlink减少链接数；降为0后仍需考虑打开文件的引用，最后引用释放才可回收底层存储。符号链接则是另一个文件对象，内容是目标路径；可跨文件系统，也可指目录，目标消失后可能悬空。

原例file内容6B，file2软链内容是四字符路径file，所以ls显示软链大小4，不是复制了6B数据。删除file后cat file2失败，证明它保存路径而非维持目标inode的硬链接引用。相对目标路径相对于软链所在目录解析（补充）。

补充：把链接变化记成对象账本。 设a是普通文件，先open(a)得到fd，再link(a,b)，再unlink(a)，最后unlink(b)。四步后名字数从1→2→1→0，但fd依然指向最初打开的对象。在fd关闭前，进程仍可能读写这份没有名字的文件。若此时另创建新的a，它是另一个文件对象，旧fd不会因为名字复用了就自动跳过去。

软链接另有一层路径解释。若目录 /x 中的软链接s保存相对路径 ../y/f，解析依据是s所在目录 /x，不是运行cat时碰巧所在的工作目录。移动软链接本身到另一目录后，同一段相对路径可能指向不同位置；硬链接则直接连接同文件系统的inode，不具有这段文本路径解释。这里路径为自取示意，不涉及本地用户目录。

自测：stat看目标文件，lstat看软链接本身时，size为何可以不同？

目标size是目标内容的逻辑字节长度；软链接size描述链接里保存的路径文本长度。它们本来是两个对象的属性。使用工具时先确认是否跟随软链接，再解释结果，不能把小的那个说成文件内容丢失了。

p.21：把三个层次分开

Q&A页。名字查目录、元数据在inode、进程访问通过fd/open file description；很多判断题的错误来自把这三层混成一个“文件”。

本讲核心考点

[C] 区分逻辑大小、分配块数与建议I/O块长。
[C] 解释rename原子可见性和临时文件保存步骤。
[C] 推演硬链接、unlink、打开引用与软链悬空。

附录

本份没有需要移至附录的长推导；计算过程已在对应页正文写全。

来源与证据

原件：T11-文件系统API-2025T2.pptx（本地课件）；PDF副本（本地课件） p.1–21。本文页码均为 PDF 页号。
考试证据：读了课程大纲-2026T1.pdf、教学计划-2026T1.pdf、T08-期中参考-2025T2-题目-解答.pdf、T07-多级反馈队列-2025T2.pdf（p.13–15内嵌历史试题）；未识别用途的 PDF：无
2026-10-13 内容补全：保留原页顺序与版本，补入对应页的程序、接口、字段、条件和演算；原程序片段保留课件行号、拼写与省略处，不能据此视为经过编译的完整软件。本文已有运行记录属于其标注日期，本次未重新运行课程容器或提交作业。