操作系统实验五

16281004-洪华兴-操作系统实验五 文件系统

实验简介

本实验要求在模拟的I/O系统之上开发一个简单的文件系统。用户通过create, open, read等命令与文件系统交互。文件系统把磁盘视为顺序编号的逻辑块序列，逻辑块的编号为0至L − 1。I/O系统利用内存中的数组模拟磁盘。

I/O系统

实际物理磁盘的结构是多维的：有柱面、磁头、扇区等概念。I/O系统的任务是隐藏磁盘的结构细节，把磁盘以逻辑块的面目呈现给文件系统。逻辑块顺序编号，编号取值范围为0至L−1，其中L表示磁盘的存储块总数。实验中，我们可以利用数组ldisk[C][H][B]构建磁盘模型，其中CHB 分别表示柱面号，磁头号和扇区号。每个扇区大小为512字节。I/O系统从文件系统接收命令，根据命令指定的逻辑块号把磁盘块的内容读入命令指定的内存区域，或者把命令指定的内存区域内容写入磁盘块。文件系统和I/O系统之间的接口由如下两个函数定义：
• read_block(int i, char *p);
该函数把逻辑块i的内容读入到指针p指向的内存位置，拷贝的字符个数为存储块的长度B。
• write block(int i, char *p);
该函数把指针p指向的内容写入逻辑块i，拷贝的字符个数为存储块的长度B。此外，为了方便测试，我们还需要实现另外两个函数：一个用来把数组ldisk 存储到文件；另一个用来把文件内容恢复到数组。

文件系统

文件系统位于I/O系统之上。

用户与文件系统之间的接口

文件系统需提供如下函数；create, destroy, open, read, write。
• create(filename): 根据指定的文件名创建新文件。
• destroy(filename): 删除指定文件。
• open(filename): 打开文件。该函数返回的索引号可用于后续的read, write, lseek,或close操作。
• close(index): 关闭制定文件。
• read(index, mem_area, count): 从指定文件顺序读入count个字节memarea指定的内存位置。读操作从文件的读写指针指示的位置开始。
• write(index, mem_area, count): 把memarea指定的内存位置开始的count个字节顺序写入指定文件。写操作从文件的读写指针指示的位置开始。
• lseek(index, pos): 把文件的读写指针移动到pos指定的位置。pos是一个整数，表示从文件开始位置的偏移量。文件打开时，读写指针自动设置为0。每次读写操作之后，它指向最后被访问的字节的下一个位置。lseek能够在不进行读写操作的情况下改变读写指针能位置。
• directory: 列表显示所有文件及其长度。

文件系统的组织

磁盘的前k个块是保留区，其中包含如下信息：位图和文件描述符。位图用来描述磁盘块的分配情况。位图中的每一位对应一个逻辑块。创建或者删除文件，以及文件的长度发生变化时，文件系统都需要进行位图操作。前k个块的剩余部分包含一组文件描述符。每个文件描述符包含如下信息：
• 文件长度，单位字节
• 文件分配到的磁盘块号数组。该数组的长度是一个系统参数。在实验中我们可以把它设置为一个比较小的数，例如3。

目录

我们的文件系统中仅设置一个目录，该目录包含文件系统中的所有文件。除了不需要显示地创建和删除之外，目录在很多方面和普通文件相像。目录对应0号文件描述符。初始状态下，目录中没有文件，所有，目录对应的描述符中记录的长度应为0，而且也没有分配磁盘块。每创建一个文件，目录文件的长度便增加一分。目录文件的内容由一系列的目录项组成，其中每个目录项由如下内容组成：
• 文件名
• 文件描述符序号

文件的创建与删除

创建文件时需要进行如下操作；
• 找一个空闲文件描述符(扫描ldisk [0]～ldisk [k - 1])
• 在文件目录里为新创建的文件分配一个目录项（可能需要为目录文件分配新的磁盘块）
• 在分配到的目录项里记录文件名及描述符编号．
• 返回状态信息（如有无错误发生等）
删除文件时需要进行如下操作（假设文件没有被打开）：
• 在目录里搜索该文件的描述符编号
• 删除该文件对应的目录项并更新位图
• 释放文件描述符
• 返回状态信息

文件的打开与关闭

文件系统维护一张打开文件表．打开文件表的长度固定，其表目包含如下信息：
• 读写缓冲区
• 读写指针
• 文件描述符号
文件被打开时，便在打开文件表中为其分配一个表目；文件被关闭时，其对应的表目被释放。读写缓冲区的大小等于一个磁盘存储块。打开文件时需要进行的操作如下：
• 搜索目录找到文件对应的描述符编号
• 在打开文件表中分配一个表目
• 在分配到的表目中把读写指针置为０，并记录描述符编号
• 读入文件的第一块到读写缓冲区中
• 返回分配到的表目在打开文件表中的索引号
关闭文件时需要进行的操作如下：
• 把缓冲区的内容写入磁盘
• 释放该文件在打开文件表中对应的表目
• 返回状态信息

读写

文件打开之后才能进行读写操作．读操作需要完成的任务如下：

1. 计算读写指针对应的位置在读写缓冲区中的偏移
2. 把缓冲区中的内容拷贝到指定的内存位置，直到发生下列事件之一：
   • 到达文件尾或者已经拷贝了指定的字节数。这时，更新读写指针并返回相应信息
   • 到达缓冲区末尾。这时，把缓冲区内容写入磁盘，然后把文件下一块的内容读入磁盘。最后返回第2步。

其他操作请同学们自己考虑。

测试

为了能够对我们的模拟系统进行测试，请编写一个操纵文件系统的外壳程序或者一个菜单驱动系统。

解答：

I/O系统设计

实验中，可用类似于字符数组ldisk[L][B]，构建磁盘模型，其中 B 表示每个存储块的长度，L 表示磁盘的存储块总数

功能结构

read_block(int i, char *p);
该函数把逻辑块i的内容读入到指针p指向的内存位置，拷贝的字符个数为存储块的长度B。

bool read_block(int i, char* p)
{
	memcpy(p, ldisk[i], B);
	return true;
}

write block(int i, char *p);
该函数把指针p指向的内容写入逻辑块i，拷贝的字符个数为存储块的长度B。此外，为了方便测试，我们还需要实现另外两个函数：一个用来把数组ldisk 存储到文件；另一个用来把文件内容恢复到数组。

bool write_block(int i, char* p)
{
	memcpy(ldisk[i], p, B);
	return true;
}

文件系统和目录

文件信息和文件目录用以下结构体表示：

typedef struct
{
	char name[10];
	short int length;
	short int allo[10];
} filedes;

typedef struct
{
	char Buffer[B];
	char* p;
	int id;
	int index;
	filedes dsc;
} OpenFileTable;

功能接口

create(filename): 根据指定的文件名创建新文件。

bool create(char* filename) 
{
	char* p = filename;
	int length = strlen(filename);
	int index = getfileheadblock();
	setfileheadblock();
	p = filename;
	filedes fd;
	memcpy(&fd.name, filename, length + 1);
	fd.length = 0;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		fd.allo[i] = -1;
	}
	fd.allo[0] = getfreedatablock();
	setfileheadblock();
	memset(temp_block, -1, B);
	write_block(fd.allo[0], temp_block);
	write_block(FILEBLOCK + DATABLOCK + index, (char*)& fd);
	addfile(index);
	return true;
}

destroy(filename): 删除指定文件。

bool destroy(char* filename)
{
	char temp_block[B];
	filedes fd;
	read_block(DATABLOCK + FILEBLOCK, (char*)& fd);
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		if (fd.allo[i] == -1)continue;
		read_block(fd.allo[i], temp_block);
		for (int j = 0; j < B; j++)
		{
			if (temp_block[j] != -1)
			{
				filedes tfd;
				read_block(DATABLOCK + FILEBLOCK + temp_block[j], (char*)& tfd);
				if (memcmp(filename, tfd.name, strlen(filename)) == 0)
				{
					int fileIndex = temp_block[j];
					temp_block[j] = -1;
					write_block(fd.allo[i], temp_block);
					read_block(0, temp_block);
					int a = fileIndex / 8;
					int b = fileIndex % 8;
					temp_block[a] = temp_block[a] & (~map[b]);
					write_block(0, temp_block);
					cout << "删除成功" << endl;
					return true;
				}
			}
		}
	}
	cout << "没有该文件" << endl;
	return false;
}

open(filename): 打开文件。该函数返回的索引号可用于后续的read, write, lseek,或close操作。

bool open(char* filename)
{
	filedes fd;
	read_block(DATABLOCK + FILEBLOCK, (char*)& fd);
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		if (fd.allo[i] == -1)
		{
			cout << "文件不存在!\n";
			return false;
		}
		read_block(fd.allo[i], temp_block);
		for (int j = 0; j < B; j++)
		{
			if (temp_block[j] != -1)
			{
				filedes temp_fd;
				read_block(DATABLOCK + FILEBLOCK + temp_block[j], (char*)& temp_fd);
				if (memcmp(filename, temp_fd.name, strlen(filename)) == 0)
				{
					openFileTable.id = temp_block[j];
					openFileTable.index = 0;
					if (temp_fd.allo[0] == -1)
					{
						openFileTable.p == NULL;
					}
					read_block(temp_fd.allo[0], openFileTable.Buffer);
					openFileTable.p = openFileTable.Buffer;
					openFileTable.dsc = temp_fd;
					return true;
				}

			}
		}
	}
	return false;
}

close(index): 关闭制定文件。

bool close(char* index)
{
	if (openFileTable.id == -1)
	{
		cout << "没有打开的文件\n";
		return false;
	}
	openFileTable.id = -1;
	return true;
}

read(index, mem_area, count): 从指定文件顺序读入count个字节memarea指定的内存位置。读操作从文件的读写指针指示的位置开始。

bool read(char* index, char* mem_area, int count)
{
	int left = B - (openFileTable.p - openFileTable.Buffer);
	while (count)
	{
		if (count - left > 0) //当前缓冲区不能满足请求，再取
		{
			count -= left;
			if (openFileTable.p == NULL)
			{
				cout << "越界访问\n";
				return false;
			}
			memcpy(mem_area, openFileTable.p, left);
			openFileTable.index++;
			if (openFileTable.dsc.allo[openFileTable.index] == -1)
			{
				openFileTable.p = NULL;
			}
			read_block(openFileTable.dsc.allo[openFileTable.index], openFileTable.p);
			left = B;
		}
		else
		{
			if (openFileTable.p == NULL)
			{
				cout << "越界访问\n";
				return false;
			}
			memcpy(mem_area, openFileTable.p, count);
			write_block(openFileTable.dsc.allo[openFileTable.index], openFileTable.Buffer);
			openFileTable.p += left;
			count = 0;
			openFileTable.p += count;
		}
	}
	return true;
}

write(index, mem_area, count): 把memarea指定的内存位置开始的count个字节顺序写入指定文件。写操作从文件的读写指针指示的位置开始。

bool write(char* index, char* mem_area, int count)
{
	int left = B - (openFileTable.p - openFileTable.Buffer);
	while (count)
	{
		if (count - left > 0) //当前缓冲区不能满足请求，再取
		{
			count -= left;
			if (openFileTable.p == NULL)
			{
				cout << "访问超过范围\n";
				return false;
			}
			memcpy(openFileTable.Buffer, mem_area, left);
			write_block(openFileTable.dsc.allo[openFileTable.index], openFileTable.Buffer);
			openFileTable.index++;
			if (openFileTable.dsc.allo[openFileTable.index] == -1)
			{
				openFileTable.p = NULL;
			}
			openFileTable.p = openFileTable.Buffer;

			left = B;
		}
		else
		{
			if (openFileTable.p == NULL)
			{
				cout << "访问超过范围\n";
				return false;
			}
			memcpy(openFileTable.p, mem_area, count);
			write_block(openFileTable.dsc.allo[openFileTable.index], openFileTable.Buffer);
			openFileTable.p += count;
			openFileTable.dsc.length += count;
			write_block(DATABLOCK + FILEBLOCK + openFileTable.id, (char*)& openFileTable.dsc);
			return true;
		}
	}
	return false;
}

directory: 列表显示所有文件及其长度。

bool directory() {
	filedes fd;
	read_block(FILEBLOCK + DATABLOCK, (char*)& fd);
	cout << "name\tsize\n";
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		if (fd.allo[i] != -1)
		{
			read_block(fd.allo[i], temp_block);
			for (int j = 0; j < B; j++)
			{
				if (temp_block[j] != -1)
				{
					filedes temp[B];
					read_block(FILEBLOCK + DATABLOCK + temp_block[j], (char*)& temp);
					cout <<temp->name;
					cout <<temp->length;
				}
			}
		}

	}
	return true;
}

运行结果

创建文件和读取文件操作

删除文件操作

读写文件操作

GitHub源码：https://github.com/hhxhongchen/lab/tree/master/lab5