操作系统实验八实验报告

本文详述了ucore实验八——文件系统的实现,包括读文件操作的完成,涉及ucore的文件系统架构、Virtual File System、Simple File System的分析,以及文件系统接口的使用。同时,介绍了如何基于文件系统执行程序的机制,实验总结分享了学习过程中的体会和收获。

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实验八:文件系统


练习0:填写已有实验

使用meld可以简单地将前几个lab的代码填入lab8中,其他实验完成的部分基本直接合并即可,部分代码需要做出修改但要结合练习1和练习2的内容,在练习1和练习2中指出


练习1:完成读文件操作的实现

1、ucore文件系统架构

以任一文件作为测试用例,ucore的执行顺序如下,其文件系统架构主要由四部分组成

  • 通用文件系统访问接口层:该层提供了一个从用户空间到文件系统的标准访问接口。这一层访问接口让应用程序能够通过一个简单的接口获得ucore内核的文件系统服务
  • 文件系统抽象层:向上提供一个一致的接口给内核其他部分(文件系统相关的系统调用实现模块和其他内核功能模块)访问,向下提供一个同样的抽象函数指针列表和数据结构屏蔽不同文件系统的实现细节
  • Simple FS文件系统层:一个基于索引方式的简单文件系统实例,向上通过各种具体函数实现以对应文件系统抽象层提出的抽象函数,向下访问外设接口
  • 外设接口层:向上提供device访问接口屏蔽不同硬件细节。向下实现访问各种具体设备驱动的接口,比如disk设备接口/串口设备接口/键盘设备接口等
文件系统测试用例
user/*.c

1.通用文件系统访问接口层
write              user/libs/file.c     
sys_write          user/libs/syscall.c         
syscall            user/libs/syscall.c             
sys_write          kern/syscall/syscall.c 

2.文件系统抽象层Virtual File System
sysfile_write      kern/fs/sysfile.c
file_write         kern/fs/file.c
vop_write          kern/fs/vfs/inode.h

3.文件系统Simple File System
sfs_write          kern/fs/sfs/sfs_inode.c
sfs_wbuf           kern/fs/sfs/sfs_io.c

4.外部I/O设备接口层
dop_io             kern/fs/devs/dev.h
disk0_io           kern/fs/devs/dev_disk0.c

硬件驱动
ide_write_secs     kern/driver/ide.c

在ucore系统中文件系统架构包含四类主要的数据结构,分别是:

  • 超级块(SuperBlock):它主要从文件系统的全局角度描述特定文件系统的全局信息,它的作用范围是整个OS空间
  • 索引节点(inode):它主要从文件系统的单个文件的角度它描述了文件的各种属性和数据所在位置,它的作用范围是整个OS空间
  • 目录项(dentry):它主要从文件系统的文件路径的角度描述了文件路径中的特定目录,它的作用范围是整个OS空间
  • 文件(file),它主要从进程的角度描述了一个进程在访问文件时需要了解的文件标识,文件读写的位置,文件引用情况等信息,它的作用范围是某一具体进程

2、Virtual File System分析

文件系统抽象层是把不同文件系统的对外共性接口提取出来,形成一个函数指针数组,这样,通用文件系统访问接口层只需访问文件系统抽象层,而不需关心具体文件系统的实现细节和接口。

进程在内核中直接访问的文件接口数据结构及文件相关信息数据结构定义在kern/fs/fs.hkern/fs/file.h

struct proc_struct{                 //进程控制块
    ...
    struct files_struct *filesp;    //文件接口
};

struct files_struct {             
    struct inode *pwd;              //进程当前执行目录的内存inode指针
    struct file *fd_array;          //进程打开文件的集合fd_array[]即filemap
    int files_count;                //打开文件的个数
    semaphore_t files_sem;          //确保互斥访问
};

struct file {
    enum {
        FD_NONE, FD_INIT, FD_OPENED, FD_CLOSED,
    } status;                       //文件的当前状态
    bool readable;                  //是否可读
    bool writable;                  //是否可写
    int fd;                         //文件在fd_array[]即filemap中的索引
    off_t pos;                      //访问文件的当前位置
    struct inode *node;             //该文件对应的inode指针
    int open_count;                 //打开此文件的次数
};

当创建一个进程后,子进程将会初始化或复制父进程的files_struct,因此在练习0中需要修改do_fork的部分代码,加上如下代码用以复制文件信息

int
do_fork(uint32_t clone_flags, uintptr_t stack, struct trapframe *tf) {
    ...
    if(copy_files(clone_flags, proc) !=0){             //复制父进程的file_struct,若出错进入错误处理
        goto bad_fork_cleanup_fs;
    }
    ...
    bad_fork_cleanup_fs: 
    put_files(proc);
    ...
}

VFS中的另一类重要数据结构是inode,位于内存的索引节点,负责把不同文件系统的特定索引节点信息统一封装,并定义了能够操作此节点的函数,inode定义在kern/fs/vfs/inode.h

struct inode {
    union {                                   //包含不同文件系统特定inode信息的union成员变量
        struct device __device_info;          //设备文件系统内存inode信息
        struct sfs_inode __sfs_inode_info;    //SFS文件系统内存inode信息
    } in_info;
    enum {                                  
        inode_type_device_info = 0x1234,
        inode_type_sfs_inode_info,
    } in_type;                                //此inode所属文件系统类型
    int ref_count;                            //此inode的引用计数
    int open_count;                           //打开此inode对应文件的个数
    struct fs *in_fs;                         //inode所在的抽象的文件系统,包含访问文件系统的函数指针
    const struct inode_ops *in_ops;           //抽象的inode操作,包含访问inode的函数指针
};

struct fs {
    union {
        struct sfs_fs __sfs_info;                   
    } fs_info;                                     //具体文件系统信息,这里只有SFS
    enum {
        fs_type_sfs_info,
    } fs_type;                                     //文件系统类型
    int (*fs_sync)(struct fs *fs);                 //写回修改 
    struct inode *(*fs_get_root)(struct fs *fs);   //返回文件系统的root inode
    int (*fs_unmount)(struct fs *fs);              //解除挂载的文件系统
    void (*fs_cleanup)(struct fs *fs);             //清除文件系统
};

struct inode_ops {
    unsigned long vop_magic;
    int (*vop_open)(struct inode *node, uint32_t open_flags);
    int (*vop_close)(struct inode *node);
    ...
};

3、Simple File System分析

(1)SFS文件系统的基本布局为

| superblock | root-dir inode | freemap | inode/file data/dir data blocks |

struct sfs_fs {
    struct sfs_super super;                         //超级块superblock
    struct device *dev;                             //挂载的设备
    struct bitmap *freemap;                         //空闲区域freemap
    bool super_dirty;                
1、图书管理系统 以UNIX系统文件部分系统调用为基础设计一个简易的图书管理系统。要求实现:图书的录入、查询、借阅、清理、统计等功能、还要实现对每天的借阅情况进行统计并打印出统计报表,操作界面要尽量完善。图书资料信息必须保存在文件中。 2、信号通信与进程控制 (l)进程的创建:编写一段程序,使用系统调用fork()创建两个或多个子进程。当此程序运行时,在系统中有一个父进程和其余为子进程在活动。 (2)进程的控制:在程序中使用系统调用lockf()来给每一个进程加锁,实现进程之间的互斥。 (3)进程通信:①软中断通信;②在程序中使用实例signal(SIGINT,SIG_IGN)和signal(SIGQUIT,SIG_IGN)进行通信操作,观察执行结果,并分析原因。 (4)软中断的捕获与重定义。首先定义一个服务函数function(),然后利用signal(sig,function)系统调用来实现中断的捕获与改道。 (5)使用操作系统保留给用户的信号SIGUSR1和SIGUSR2进行通信。 (6)扩展程序,使之成为信号或事件驱动的应用程序。 3、管道通信 利用UNIX系统提供的管道机制实现进程间的通信。 (1)管道通信。利用pipe()和lockf()系统调用,编写程序,实现同族进程间的通信。使用系统调用pipe()建立一条管道线;创建子进程P1、P2、…。子进程Pi分别向管道各写信息,而父进程则从管道中读出来自于各子进程的信息,实现进程家族间无名管道通讯。 扩展之,使之成为客户/服务器模式,并完成一定的任务(自己定义)。 (2)命名管道通信:利用mkfifo(name,mode)或mknod(name,mode,0)创建一个命名管道,然后利用它和文件部分系统调用实现不同进程间的通信。 改造之,使之成为客户/服务器模式,并完成一定的任务(自己定义)。 4、进程间通信(IPC):消息机制 (1)消息的创建、发送和接收 使用系统调用msgget(),msgsnd(),msgget(),及msgctl()编制一长度为1K的消息发送和接收的程序。 1)为了便于操作和观察结果,用一个程序作为“引子”,先后fork()两个子进程,SERVER和CLIENT,进行通信。SERVER和CLIENT也可分别为2个各自独立的程序。 2)SERVER端建立一个Key为175的消息队列,等待其他进程发来的消息。当遇到类型为1的消息,则作为结束信号,取消该队列,并退出SERVER。SERVER每接收到一个消息后显示一句“(server)received”。 3)CLIENT端使用key为175的消息队列,先后发送类型从10到1的消息,然后退出。最后的一个消息,即是SERVER端需要的结束信号。CLIENT每发送一条消息后显示一句“(client)sent”。 4)父进程在SERVER和CLIENT均退出后结束。 (2)功能扩展:在sever端创建一个服务函数,从而实现C/S通讯 要求SERVER每接收到一次数据后不仅仅显示“(server)received”,而是做一些其它事情,比如读取或查询某个文件,或者执行一个shell命令等。此功能可由设计者自己定义。 在此基础上可以扩展客户端,比如设计一个菜单界面,接收不同的选项,并发送到服务器端,请求对方提供服务。 5、进程间通信(IPC):共享内存机制 (1) 共享存储区的创建,附接和断接 使用系统调用shmget(),shmat(),msgdt(),shmctl(),编制一长度为1K的消息发送和接收的程序。 1)为了便于操作和观察结果,用一个程序作为“引子”,先后fork()两个子进程,SERVER和CLIENT,进行通信。SERVER和CLIENT也可分别为2个各自独立的程序。 2)SERVER端建立一个Key为375的共享区,并将第一个字节置为-1,作为数据空的标志,等待其他进程发来的消息。当该字节的值发生变化时,表示收到了信息,并进行处理。然后再次把它的值设为-1。如果遇到的值为0,则视为结束信号,取消该队列,并退出SERVER。SERVER每接收到一次数据后显示“(server)received”。 3)CLIENT端建立一个Key为375的共享区,当共享取得第一个字节为-1时,SERVER端空闲,可发送请求。CLIENT随即填入9到0。期间等待Server端的再次空闲。进行完这些操作后,CLIENT退出。CLIENT每发送一次数据后显示“(client)sent”。 4)父进程在SERVER和CLIENT均退出后结束。 (2)功能扩展:在sever端创建一个服务函数,从而形成C/S通讯模式 要求SERVER每接收到一次数据后不仅仅显示“(server)received”,而是做一些其它事情,比如读取或查询某个文件等。此功能可由设计者自己定义。 在此基础上可以扩展客户端,比如设计一个菜单界面,接收不同的选项,并发送到服务器端,请求对方提供服务。 6、文件加密存储 利用文件系统的系统调用编程对文件的内容进行加、解密。 要求程序从环境的命令行携带4个参数。第一个是文件名,第二个是操作方式,第三个是密钥,第四个是加密钥循环使用长度。其中后两个参数是可以忽略,但对忽略的情况要提供缺省值。 要求最后实现对文件的加密转储,或通过改道的办法进行转储。对于已加密的文件可以进行解密显示或解密后转储。形成加密或解密文件后要删除原来的文件。 建议加密过程使用按字符进行异或的方式处理,也可以是仿射加密方式,比如把所有的字符做一个平移变换:A-A+C(A为任意字母表中的字母,C为常数,为了防止越界或溢出,可以改造其为A-(A+C)MOD 256),这里要提醒的是,要注意逆变换。 建议,设计者也提供自己的加密方式。 7、存储管理 存储管理的主要功能之一是合理地分配空间。请求页式管理是一种常用的虚拟存储管理技术。本设计的目的是通过请求页式存储管理中页面置换算法模拟设计,了解虚拟存储技术的特点,掌握请求页式存储管理的页面置换算法。要求: (1)通过随机数产生一个指令序列,共320条指令。指令的地址按下述原则生成: ①50%的指令是顺序执行的;②25%的指令是均匀分布在前地址部分;③25%的指令是均匀分布在后地址部分。 具体的实施方法是:①在[0,319]的指令地址之间随机选取一起点m;②顺序执行一条指令,即执行地址为m+l的指令;③在前地址[0,m+1]中随机选取一条指令并执行,该指令的地址为m’;④顺序执行一条指令,其地址为m’+1;⑤在后地址[m’+2,319]中随机选取一条指令并执行;⑥重复上述步骤①~⑤,直到执行320次指令。 (2)将指令序列变换成为页地址流。设:①页面大小为1K;②用户内存容量为4页到32页;③用户虚存容量为32K。 在用户虚存中,按每页存放10条指令排列虚存地址,即320条指令在虚存中的存放方式为: 第0条~第9条指令为第0页(对应虚存地址为[0,9]); 第10条~第19条指令为第1页(对应虚存地址为[10,19]); … … … 第310条~第319条指令为第31页(对应虚存地址为[310,319])。 按以上方式,用户指令可组成32页。 (3)计算并输出下述各种算法在不同内存容量下的命中率(要为以下各种算法定义数据结构)。 ①先进先出的算法(FIFO); ②最近最少使用算法(LRU); ③最近最不经常使用算法(NUR/NRU/CLOCK)。 命中率=1-页面失效次数/页地址流长度 在本设计中,页地址流长度为320,页面失效次数为每次访问相应指令时,该指令所对应的页不在内存的次数。 (4)关于随机数产生办法,Linux/UNIX系统提供函数srand()和rand(),分别进行初始化和产生随机数。例如:srand()语句可初始化一个随机数: a[0]=10*rand()/32767*319+1, a[1]=10*rand()/32767*a[0]; … … … 语句可用来产生a[0]、a[1]、…中的随机数。 8、shell程序模拟设计 shell是UNIX系统的命令解释程序。Shell的基本功能是:命令解释执行、shell编程、系统环境设置、文件名替换、I/O重定向、连通管道建立。试按照shell程序的基本功能,利用UNIX系统提供的进程控制的系统调用,设计一个程序来模拟shell功能。要求至少要做到: 1)从终端键盘接收命令,若是合法,则执行之; 2)设置一条内部命令,比如print,用于显示被执行命令的返回状态和它自己的参数; 3)实现shell命令替换。 9、Windows文件系统分析 在Linux系统下,使用与文件相关的系统调用实现对物理设备文件的读写,参照Linux系统源代码,对不同介质上的FAT格式文件系统进行分析。要求在Linux环境下设计出C语言程序,实现以下功能: 1)分析DOS/Windows系统引导记录DBR(DOS Boot Record)和引导机制; 2)通过DBR中的BPB(BIOS Parameter Block)信息分析,构建相关信息的数据结构,比较FAT16、FAT32和VFAT等文件系统的区别与联系。 3)至少要实现对给出第一FAT入口文件的只读访问。 4)建议根据文件名读取文件。 10、UNIX/Linux文件系统分析 在Linux系统下,使用与文件相关的系统调用实现对物理设备文件的读写,参照Linux系统源代码以及Grub系统的源代码,对不同介质上的FAT格式文件系统进行分析。要求在Linux环境下设计出C语言程序,实现以下功能: 1)分析UNIX SysV/Linux系统引导记录的作用; 2)分析UNIX SysV/Linux的超级块及其结构,并建立相关数据结构,通过编程实现UNIX SysV/Linux文件系统内各部分的定位。 3)至少要实现对给定i节点文件的只读访问。 4)建议根据文件名读取文件。
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