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:
- 计算读写指针对应的位置在读写缓冲区中的偏移
- 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