C++模拟FAT文件系统的设计思路

开不开心少年

于 2024-12-14 20:59:49 发布

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文章标签： c++ linux

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1. 设计目的

通过实现文件系统的管理，操作虚拟磁盘中的文件存储空间、目录结构及文件操作，帮助理解文件系统的内部数据结构、功能以及实现过程。主要目标是通过实践掌握文件系统的设计与实现。

2. 系统功能要求

文件存储管理
在内存中创建一个虚拟磁盘空间作为文件存储分区，模拟文件系统的功能。通过文件系统，用户能够进行文件的创建、删除、读取、写入、目录操作等。退出时，应将虚拟文件系统保存到磁盘上，并在下次启动时恢复。
文件存储空间分配

1. 存储空间分配方式

文件存储空间的分配采用基于数组下标的方式，类似于链式分配，但通过下标查找磁盘块的位置。具体地，文件分配表（FAT）中的每一项记录一个磁盘块的下标，指示该块数据的下一个磁盘块的位置。如果该磁盘块为文件的最后一块，则在FAT表中该项的值为 END，表示文件结束；如果该磁盘块为空，则该项的值为 FREE，表示该磁盘块为空闲状态。

2. 存储结构与布局
- 虚拟磁盘：虚拟磁盘被模拟为一个包含多个磁盘块的数组。每个磁盘块大小为 1024 字节，磁盘总大小为 1024000 字节，划分为多个磁盘块。
- 文件分配表（FAT）：FAT表通过一个数组来管理磁盘块的分配情况。每个FAT表项包含一个下标，表示当前磁盘块的下一个簇的位置。
  - FAT项内容：
    - FREE：表示该磁盘块为空闲状态。
    - END：表示该磁盘块为文件的最后一个簇。
    - 其他值：表示当前磁盘块的下一个簇的位置。
- 磁盘块分配：文件分配时，根据文件大小从FAT表中查找空闲的磁盘块，将文件的数据存储到这些磁盘块中，并通过FAT表项将它们链接起来。
3. 文件存储空间分配流程
1. 文件分配：
- 系统会根据文件的大小和可用的空闲磁盘块，分配足够数量的磁盘块。
  - 每个磁盘块通过FAT表项链接，形成一个链表。文件的每个块会指向下一个块，直到文件结束。
  - 在分配磁盘块时，如果找到的磁盘块为 FREE，则将该磁盘块分配给文件。
  - 如果文件块已分配完，最后一个块将指向 END，表示文件的结束。
1. 文件释放：
  - 文件释放时，通过FAT表遍历文件占用的磁盘块，将其对应的FAT项标记为 FREE，表示该磁盘块空闲。
  - 磁盘块的释放通过遍历链表方式完成，直到找到标记为 END 的块，表示文件释放完毕。
2. 查找空闲块：
  - 在磁盘块分配时，系统会查找FAT表中状态为 FREE 的项，找到后分配该磁盘块并更新FAT表。
目录结构管理
在这个文件系统中，文件和目录之间的关系是通过 目录项（FCB） 来建立的。每个文件（包括文件和目录）都对应一个 FCB，而每个目录（包含文件或子目录）也是一个特殊的文件，其中的每个条目（目录项）表示一个文件或子目录。

1.2 根目录和子目录的关系

根目录（/）是整个文件系统的顶级目录，它的作用类似于一个入口点。根目录本身也是一个目录文件，它包含指向其他子目录和文件的目录项。根目录的每个目录项可能是一个文件，也可能是一个 子目录，从而形成了文件系统的层次结构。

例如，根目录中的一个目录项可能指向一个子目录 /root/subdir1，而另一个目录项可能指向一个普通文件 /root/file1.txt。

1.3 目录项的查找

当需要访问某个目录或文件时，文件系统会通过路径逐级查找目录项。例如，在路径 /root/subdir1/file1.txt 中，系统首先查找根目录中的目录项，找到指向 subdir1 的目录项，然后进入 subdir1 子目录，再查找该子目录中指向 file1.txt 的目录项。

2. 目录和子目录之间的关系

每个 子目录 本质上也是一个目录，它的结构与根目录类似，只是它位于更深的层次中。子目录的创建和管理也采用类似的方式进行。

2.1 子目录的创建
- 每个目录都是一个文件，包含多个目录项。
- 创建子目录时，系统会在父目录中添加一个新的目录项，该目录项指向子目录的起始磁盘块，同时为该子目录分配一块新的磁盘空间。
- 子目录也是一个文件，它包含对该子目录下所有文件和子目录的管理。
例如，创建 /root/subdir1 子目录时，文件系统会在 root 目录下添加一个目录项，指向 subdir1 子目录的起始磁盘块。

2.2 子目录的查找

当需要进入某个子目录时，系统会从父目录中查找该子目录的目录项。查找过程是逐级进行的。例如，从根目录进入 /root/subdir1 时，系统会首先在根目录中查找 subdir1 目录项，然后进入该子目录，再查找该子目录中的文件或其他子目录。

3. 目录结构的层次关系

3.1 多级目录的实现

文件系统采用多级目录结构，可以通过路径逐级访问到具体的文件或子目录。每个目录项包含对父目录的引用，因此系统能够在多级目录结构中进行有效的导航。

例如，/root/subdir1/file1.txt 表示：
- root 是根目录，subdir1 是根目录下的一个子目录，file1.txt 是 subdir1 子目录下的一个文件。
- 系统在根目录中查找 subdir1，进入 subdir1 后，再查找 file1.txt 文件。
3.2 目录项表（目录的文件）

每个目录本质上是一个文件，目录文件包含多个目录项。每个目录项表示一个文件或子目录。目录文件本身的 文件长度 表示目录项的数量。

每个目录文件（包括根目录和子目录）的格式相同，都是由多个目录项（FCB）组成的。系统通过目录项的 起始磁盘块号 来查找目录文件的内容。

4. 查找目录项的过程

系统如何查找目录项（文件或子目录）？
1. 查找根目录：系统首先查找根目录（/）的目录项，获取根目录下的所有文件和子目录。
2. 逐级查找子目录：当需要进入子目录时，系统从父目录中查找相应的目录项，找到该子目录的起始磁盘块，并进入该子目录。
3. 查找文件：在子目录中查找文件时，系统会根据文件名和扩展名从该目录的目录项中查找，找到文件所在的磁盘块位置。
5. 目录操作

5.1 创建目录 my_mkdir
- 系统在父目录中分配一个新的目录项，并为该子目录分配磁盘块。
- 新创建的子目录会被初始化，并包含至少一个目录项（用于存储该子目录的目录项）。
5.2 删除目录 my_rmdir
- 删除子目录时，系统会检查该目录是否为空（即该目录项下没有其他文件或子目录）。
- 如果目录为空，系统会删除目录项，并释放与该目录相关的磁盘块。
- 如果目录不为空，删除操作会失败，必须先删除子目录中的文件或子目录。
5.3 改变当前目录 my_cd
- 当前目录由 currentdir 变量记录，改变当前目录时，系统根据路径更新当前目录。
提供文件操作命令
- my_format：格式化虚拟磁盘并创建根目录及管理数据结构。
- my_mkdir：创建子目录。
- my_rmdir：删除子目录。
- my_ls：列出目录中的内容。
- my_cd：更改当前目录。
- my_create：创建文件。
- my_open：打开文件。
- my_close：关闭文件。
- my_write：写文件。
- my_read：读文件。
- my_rm：删除文件。
- my_exitsys：退出文件系统。

3. 开发平台

编程语言：C++

4. 数据结构设计

4.1 常量定义

BLOCKSIZE = 1024：磁盘块大小。
SIZE = 1024000：虚拟磁盘空间总大小。
END = 65535：文件结束标志。
FREE = 0：磁盘块空闲标志。
ROOTBLOCKNUM = 2：根目录区所占盘块总数。
MAXOPENFILE = 10：最多同时打开的文件数。

4.2 数据结构

文件控制块 (FCB)
记录文件的控制信息，是文件目录项的内容。

typedef struct FCB {
    char filename[8];   // 文件名
    char exname[3];     // 文件扩展名
    unsigned char attribute; // 文件属性：0 - 目录文件，1 - 数据文件
    unsigned short time; // 文件创建时间
    unsigned short data; // 文件创建日期
    unsigned short first; // 文件起始盘块号
    unsigned long length; // 文件长度（字节数）
    char free;           // 目录项是否为空，0 - 空，1 - 已分配
} fcb;

文件分配表 (FAT)
记录磁盘块的分配情况，每个文件占据的磁盘块的块号及块的空闲状态。
```
typedef struct FAT {
    unsigned short id; // 盘块号
} fat;
```

用户打开文件表 (USEROPEN)
记录用户打开的文件的相关信息。

typedef struct USEROPEN {
    char filename[8];   // 文件名
    char exname[3];     // 文件扩展名
    unsigned char attribute; // 文件属性：0 - 目录，1 - 数据文件
    unsigned short time; // 文件创建时间
    unsigned short data; // 文件创建日期
    unsigned short first; // 文件起始盘块号
    unsigned long length; // 文件长度
    char free;           // 目录项是否为空，0 - 空，1 - 已分配
    int dirno;           // 目录项所在盘块号
    int diroff;          // 目录项在盘块中的位置
    char dir[MAXOPENFILE][80]; // 文件所在目录路径
    int count;           // 读写指针的位置
    char fcbstate;       // 文件控制块状态：1 - 修改，0 - 未修改
    char topenfile;      // 打开文件表项是否被占用
} useropen;

引导块 (BLOCK0)
存放磁盘的描述信息，包括磁盘块大小、磁盘块数量、文件分配表等。

typedef struct BLOCK0 {
    char information[200];     // 相关描述信息
    unsigned short root;       // 根目录起始盘块号
    unsigned char *startblock; // 数据区开始位置
} block0;