操作系统OS第五次实验

一、实验要求

1. 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。

2. 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。

3. 文件系统

文件系统位于I/O系统之上。

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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

3.4 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

3.5 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

3.6 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。

4. 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。

 

二、实验过程及结果

整体组织

注：我定义的文件系统中，磁盘分为两大部分：数据区和保留区。其中保留区中又包含位图区和文件描述符区，数据区的首部是文件的目录项，也就是说，文件的目录项在文件创建时会创建相应的目录项在数据区的文件首部；而位图区用于表征数据的占用情况，例如数据区的第N块被分配了，那么位图区中也要做相应的改变。

 

文件描述符

注：文件描述符位于保留区后半部，用于分为两类型，即表示目录的0号描述符和1号以后的描述符，用于表示文件的长度和分配块情况，具体看上图。

 

目录项

注：目录项位于数据区的首部，目录项的0位用于保存文件描述符的序号，1号以后用于存放文件名

总结：

一个文件的所有存放于由位视图，文件描述符，目录项和数据区表征。

 

• 对磁盘的操作：

字符数组（L*B）模拟磁盘，考虑到文件系统和I/O系统（磁盘）不是同一层，故将所有对磁盘的操作只能规约为这二者之间的接口来操作：

 

void read_block(int,char *); //文件系统与IO设备的接口函数，读取块

void write_block(int,char *); //文件系统与IO设备的接口函数，写入块

（代码详见源文件）

也就是说，之后的文件的创建，删除，打开，关闭，指针定位等操作，里面牵扯到磁盘内容读写的步骤，全部需要用这两个接口完成，然后这两个接口对磁盘的操作是以块为单位的，所以例如某些操作，只要更改磁盘中的某一块中的某一位，则需要先读取某一块存于零时数组中，然后修改这个数组的某一位，然后再将这个数组写回磁盘。

• 对文件的操作：

文件的创建int create(char *)

.找一空闲文件描述符

.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以及描述符编号

.返回状态信息

文件的删除int destroy(char *)

.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int open(char *)

.搜索目录找到文件对应的描述符序号

.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

文件的关闭int close(int)

.把缓冲区的内容写入磁盘

.释放该文件再打开文件表中对应的表目

.返回状态信息

文件的写int write(int,int,int)

.写的内容若小于缓冲区内容，则直接写入缓冲区，完成写操作（关闭的时候会将缓冲区写入文件）

.入写入的内容，缓冲区无法一次装完，则需要填满缓冲区，然后将缓冲区写入文件，腾出缓冲区，然后再写入缓冲区，碰到缓冲区满的情况便写入文件，腾出缓冲区，以 便文件的写入，完成写操作。

.返回状态信息

文件的读int read(int,int,int)

.将文件整个内容整个取出在一个临时字符数组中

.根据要求的读取参数定位读写位置，输出读取内容，完成读操作

.返回状态信息

     文件指针定位int lseek(int,int)

.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。

 

具体过程：

该文件系统根据输入的指令来对文件系统的操作

此时该文件系统会初始化

新建文件操作：(create)

显示目录文件：（dir）

文件的删除：delete

打开文件:(open)

打开文件表:(oplist)

文件的写操作：(write)

关闭文件：close

打开和读取lmjorz：

后台查看磁盘数组的内容，可以查看实时情况命令（ldisk）

 

三、实验代码

https://github.com/bjtucs/-/tree/master/%E5%AE%9E%E9%AA%8C5