xv6 文件系统

1. xv6 文件系统的整体结构：目录是一棵树

xv6 的文件系统中：

• 文件 = 字节数组（例如普通文件）

• 目录 = 一种特殊的文件，里面存的不是内容，而是：

  • 文件名 → inode 号（指向文件的引用）

  • 子目录的引用

所以整个系统形成一棵树：

/ ├── a │ └── b │ └── c

路径/a/b/c解析方式：

1. 从根目录/开始

2. 找名字"a"→ 得到 inode_A

3. 在 inode_A 代表的目录里找名字"b"→ 得到 inode_B

4. 在 inode_B 里找"c"→ 得到 inode_C（文件）

2. 绝对路径 vs 相对路径 + chdir

• 绝对路径以/开头，从根开始解析
  如：/a/b/c

• 相对路径不以/开头，从“当前工作目录”开始解析
  当前工作目录属于每个进程自己的属性

系统调用chdir(path)会改变调用进程的当前目录。

举例：

chdir("/a"); chdir("b"); open("c", O_RDONLY);

执行效果：

1. 当前目录变为/a

2. 然后变为/a/b

3. open("c")打开的就是/a/b/c

所以它等价于：

open("/a/b/c", O_RDONLY);

3. 创建文件 / 目录 / 设备文件的方法

xv6 提供几种系统调用：

示例

mkdir("/dir"); // 创建目录 fd = open("/dir/file", O_CREATE|O_WRONLY); // 创建文件 close(fd); mknod("/console", 1, 1); // 创建设备文件

关键点：设备文件不包含数据

它的 inode 会标记为：

• 类型：T_DEV

• 记录设备号 major/minor

当进程 open 这个设备文件时：

内核不会从磁盘读取这个“文件”，
而是把read/write调用转发给对应的内核设备驱动。

4. fstat()：查看文件的信息

struct stat { short type; // 文件类型：目录 / 普通文件 / 设备文件 int dev; // 所在磁盘设备号 uint ino; // inode 编号（关键） short nlink; // 有多少名字指向这个 inode uint size; // 文件大小（字节） };

最关键字段：

• ino：唯一标识一个文件实体

• nlink：有多少文件名指向它（链接数量）

5. 一个 inode 可以有多个名字：link()

文件名只是指向 inode 的“标签”。

一个 inode（真实文件）可以有多个文件名指向它，这叫硬链接（hard link）。

示例：

open("a", O_CREATE|O_WRONLY); // 创建 inode 10，名字 a → inode 10 link("a", "b"); // 添加名字 b → inode 10

结果：

• "a"指向 inode 10

• "b"也指向 inode 10

• inode 10 的 nlink = 2

任何对 a 的读写 = 对 b 的读写

因为它们操作的是同一个 inode。

fstat()会告诉你：

• a 与 b 的 inode 号一样

• nlink = 2

6. unlink：删除的是“名字”，不是文件本体

unlink(path)做两件事：

1. 删除该目录项（“名字”）

2. 把那个 inode 的 nlink 减 1

如果 nlink > 0：

• 还有别的名字指着它

• inode 不会删除

如果 nlink = 0：

• 没有任何名字再引用这个 inode

• 如果没有进程打开它
  → 文件内容和 inode 会被回收

示例：

open("a", ...); link("a", "b"); unlink("a");

此时：

• "a"删除

• "b"仍然指向 inode 10

• nlink 从 2 降到 1

文件仍然存在。

7. 利用 unlink 创建临时文件（Unix 经典技巧）

代码：

fd = open("/tmp/xyz", O_CREATE|O_RDWR); unlink("/tmp/xyz");

含义：

• /tmp/xyz被创建，inode 20 的 nlink=1

• unlink 删除名字"xyz"→ nlink=0

• 但进程仍然持有 fd 指向 inode 20

• 所以 inode 不会删除

结果：

• 文件没有名字 → 外部不可见

• 进程仍可通过fd读写它

• 当进程退出 / 关闭 fd → inode 自动删除

这是 Unix 最推荐的“安全临时文件”方式。

8. 为什么 xv6 的 mkdir / ln / rm 都是用户程序？

因为它们只需要执行：

• 系统调用（mkdir、link、unlink 等）

系统调用操作真正的文件系统：

• 不依赖进程的内部状态

• 所以用单独的进程执行完全没问题

这符合 Unix 的“用户态工具 + 小内核”哲学。

9. 唯一例外：cd 必须在 shell 内部实现

为什么？

因为：

• shell 每次执行命令前都会 fork 一个子进程来执行外部命令

• 如果 cd 是外部命令，它会运行在子进程中

那么：

$ cd /a/b

会发生：

1. shell fork 出子进程

2. 子进程执行 cd → 改变子进程的当前目录

3. 子进程退出

4. 回到父进程 shell，当前目录没变！

也就是说：

子进程 chdir() 没法改变父进程（shell）的当前目录。

所以：

• cd 必须直接在 shell 进程里执行

• shell 不能 fork，它必须自己调用chdir()

这就是为什么：

• mkdir, rm, ln 等可以自成程序

• 但 cd 必须写死在 shell 代码里（built-in 命令）

总结

1. 文件名只是 inode 的引用，目录是一棵树结构。

2. 路径解析由当前目录决定，chdir 改变当前进程目录。

3. mkdir/open/mknod 分别创建目录、普通文件、设备文件。

4. inode 是文件本体，有唯一编号和链接数（nlink）。

5. link 为同一 inode 创建第二个名字。

6. unlink 删除“名字”，只有 nlink=0 且无 fd 才删除文件本体。

7. open + unlink 可创建“无名字的临时文件”。

8. xv6 文件操作命令都是用户程序，唯独 cd 必须在 shell 内运行，因为子进程不能改变父进程目录。