geekos-project5 项目5：GOSFS文件系统

项目5：GOSFS文件系统

2.6 Project5

2.6.1项目设计目的

        了解文件系统的设计原理，掌握操作系统文件系统的具体实现技术。

2.6.2项目设计要求

        为实现GOSFS文件系统，用户在“/src/geeekos /gosfs.c”中添加代码，实现以下函数。

1. GOSFS_Fstat()函数：为给定的文件得到元数据；
2. GOSFS_Read()函数：从给定文件的当前位置读数据；
3. GOSFS_Write()函数：从给定文件的当前位置写数；
4. GOSFS_Close()函数：关闭给定文件；
5. GOSFS_Read GOSFS_Fstat_Directory()函数：为一个打开的目录得到元数据；
6. GOSFS_Close_Directory()函数：关闭给定目录。_Entry()函数：从打开的目录表读一个目录项；
7. GOSFS_Open()函数：为给定的路径名打开一个文件；
8. GOSFS_Create_Directory()函数：为给定的路径创建一个目录；
9. GOSFS_Open_Directory()函数：为给定的路径打开一个目录。
10. GOSFS_Delete()函数：为给定的路径名删除一个文件；
11. GOSFS_stat()函数：为给定的路径得到元数据（大小，权限等信息）；
12. GOSFS_Sync()函数：对磁盘上的文件系统数据实现同步操作；
13. GOSFS_Format()函数：格式化GOSFS文件系统操作；
14. GOSFS_Mount()函数：挂载文件系统操作。

2.6.3原理分析

        从Geekos系统层面分析，其原本搭载的文件系统为PFAT，需仿照PFAT文件的实现原理来实现GOSFS文件系统。

1.磁盘的逻辑结构

图表 1磁盘的逻辑结构

2.文件基本框架

图表 2文件的基本框架

3.文件系统的结构

图表 3文件系统的结构

4.多层索引的图示

图表 4多层索引的演示

2.6.4主要操作分析

（1）FORMAT格式化操作：GOSFS_Format()函数，目的是将原始磁盘格式化为GOSFS格式，将挂载区域blockDev进行GOSFS格式化。

        利用Get_Num_Blocks函数获取磁盘容量，并FindNumBlocks函数计算所需块数量。创建根目录，使得指针指向目录，并创建超级块，即GOSFS_Superblock结构体（定义于gosfs.h头文件下），Malloc(byteCountSuperblock)赋予超级块的空间，GOSFS_Superblock->magic变量表示在GOSFS_Mount挂载中检查是否为GOSFS文件系统，其块数量以及大小也需赋值。最后将超级块写入硬盘即可，此处，写入时需用到缓存来进行辅助操作。

        根据所掌握的信息可知，Format操作完成文件系统的格式化操作时，在系统编译时GeekOS会自动生成10兆大小的磁盘镜像，并初始化内容为全零。GOSFS_Format将这种原始磁盘格式化为GOSFS格式的磁盘，操作包括写入引导块，文件系统初始超级块以及根目录信息节点。需要注意的是，该操作只是针对GOSFS,不能格式化PFAT。

（2）挂载GOSFS操作：GOSFS_Mount()函数，目的是挂载mountPoint指向的文件系统。

        该操作首先初始化内存中的GOSFS_Superblock，之后初始化Mount_Point，最后创建一个空目录，通常规定为/d。具体操作为，首先建立一个新的高速缓冲区（缓冲区的存取的互斥的），标记超级块，以及超级块里的数据，利用超级块结构体下的magic变量，进行魔数检查，验证是否为GOSFS文件系统，若检查是，则释放缓冲区，并创建文件系统实例（创建GOSFS文件系统的空目录）。

        据所掌握的信息可知，GOSFS_Mount操作负责将一块GOSFS格式的磁盘挂载到GeekOS。这个操作必须在磁盘访问操作进行之前完成。挂载操作首先初始化内存中的实体超级块，之后初始化虚拟超级块，最后初始化GOSFS根目录“d”。挂载操作成功完成后，文件系统就可以访问超级块与文件系统根目录，并完成相应操作。

（3）高速缓冲区操作：其实际上是开内存上开辟一个空间，使数据读写时通过该缓冲区，即使得一部分保留在内存当中。当然，在高速缓冲区（内存）中读写数据明显要比在磁盘中读写数据要快得多。并且，缓冲区的存取的互斥的，保证了数据的正确性和安全性。

        高速缓冲区的使用需要经过申请-修改-释放三个步骤，其在bufcache.c文件中有所定义，Create_FS_Buffer_Cache()函数为创建一个新的缓冲区，Get_FS_Buffer()函数为调用该创建的缓冲区，并带有代码Mutex_Lock(&cache->lock)(表示在缓冲区上加锁)，也就是确保缓冲区的存取互斥，等待Get_Buffer函数调用成功后，既可释放锁。其Modify_FS_Buffer()函数为修改缓冲区操作，Sync_FS_Buffer()函数为同步缓冲区操作，而Release_FS_Buffer()函数为释放缓冲区操作。

（4）挂载点、索引以及重要关联文件（目录）结构体介绍：

        a.挂载点：gosfs.c文件下有一个很重要的内容，就是挂载点Mount_Point，其Mount_Point结构体在vfs.h中有定义，作为挂载点，是进行文件操作的关键对象。

        其Mount_Point结构体中，包含了Mount_Point_Ops数据结构（与各种基本文件操作相关），而辅助基本文件操作的指针则存储在该定义下的fsData变量之中。

        Mount_Point挂载点也是辅助格式化并挂载完成GOSFS文件系统，即创建文件及目录。

        b.Inode索引：GOSFS文件系统使用inode形式，在每一个目录下分配一个inode，inode表示目录条目的数量，而非物理大小。而读文件即可通过inode文件索引来找到所需的目录，inode可保存目录和文件到相关信息，其中，有blockLisas成员数组记录了文件数据块指针。

        c.关联文件结构体：利用该结构体可有效关联文件的基本操作

static struct File_Ops s_gosfsFileOps = {//文件     &GOSFS_FStat,     &GOSFS_Read,     &GOSFS_Write,     &GOSFS_Seek,     &GOSFS_Close,     0, /* Read_Entry */     &GOSFS_Clone, };

        d.关联目录结构体：利用该结构体可有效关联目录的基本操作

static struct File_Ops s_gosfsDirOps = {//目录     &GOSFS_FStat_Directory,     0, /* Read */     0, /* Write */ //  0, /* Seek */     &GOSFS_Seek,     &GOSFS_Close_Directory,     &GOSFS_Read_Entry, };

（5）读写操作：通过读写操作来分析具体过程。

        了解写操作，GOSFS_Write()函数，针对写操作，首先对其上锁，防止读写同步操作，污染数据或者读到脏数据，检查写操作是否被允许，若被允许写入时，计算需要写入的数据块（即赋值初始数据块、起始数据块地址、末尾数据块），后将文件中的数据按块的方式写入新块。

        在写入时使用循环的方式利用CreateFileBlock函数分配空间，并利用GetPhysicalBlockByLogical函数，即通过块的线性地址得到块的物理地址，计算开始写入的物理地址，利用Get_FS_Buffer缓冲区写入数据，当然，写完记得释放缓冲区，同时，使inode信息和文件描述符保持最新，并释放锁。最后，返回写好完毕的指令。

        而读操作，与写操作类同。

       其是从给定文件的当前位置读数据。首先了解下GOSFS_FileEntry结构体（在gosfs.h头文件中），其中定义着文件索引以及文件对象（对象中包括锁和缓冲区），即inode文件索引、instance文件对象（GOSFS_Instance结构体）。

        首先对其上锁（即instance文件对象中的锁），防止读写同步操作，污染数据或者读到脏数据，检查读操作是否被允许，若被允许读出时，检查文件指针是否在文件尾，通过循环的方式，从块头到块尾查找，并标记实际地址。同样，利用Get_FS_Buffer缓冲区读出数据，读取完释放缓冲区，并将指针更新读到的地方，至此，具体读操作完成。

（6）其它文件操作：举例目录方面的具体操作。

        a.创建一个指定路径的目录，GOSFS_Create_Directory()函数中实现。有定义目录结构GOSFS_Directory、高速缓冲区FS_Buffer、文件对象GOSFS_Instance。

        首先，将挂载点的信息mountPoint->fsData复赋值于该文件对象GOSFS_Instance，上锁，获取存储空间，并获取所指定路径，从路径中删除文件名，并清空已有索引。检查是否已经存在该路径下的目录，若无，则标记好索引，并对文件对象进行适当的填充，最后，释放锁。

        b.删除有给定路径命名的文件或目录，与其创建的操作类同（当然，首先必须先找到给定路径，检查是否存在）。

        c. 从打开的目录中读取目录项，GOSFS_Read_Entry()函数中实现。

        必须知道的是，在每个创建的目录下，都会有一个独特的索引inode、类型type以及里头所定义的文件名（可查看GOSFS_Directory结构体，在gosfs.h文件中）。

        在该函数中，主要使用了两个标准C库函数strcpy()和memcpy()，此两函数区别在于strcpy提供了字符串的复制。即strcpy只用于字符串复制，并且它不仅复制字符串内容之外，还会复制字符串的结束符。memcpy提供了一般内存的复制。即memcpy对于需要复制的内容没有限制，因此用途更广。

        利用strcpy()复制目录下所有的文件名，而memcpy()则复制目录下的索引信息。

2.6.5运行输出分析结果

原有文件格式为PFAT系统 测试文件格式化：format ide1 gosfs 挂载GOSFS文件：mount ide1 /d gosfs 显示所有文件：ls /d 创建文件夹：mkdir /d/xxx 创建文件：touch /d/xxx 删除文件夹或者文件：rm /d/xxx

1.格式化与挂载GOSFS文件系统

(2)显示所有文件

 (3)创建文件夹以及文件

(4)删除文件夹以及文件

 

2.6.6解决作业问题

（1）GeekOS系统原始的文件系统是什么格式？

        原始的文件系统是PFAT文件系统。

（2）在GeekOS系统中，如何注册挂载一个新的文件系统？

        GOSFS_Format()和GOSFS_Mount()两个函数，前者先格式化硬盘，后者主要用于挂载到GeekOS上。

（3）在新文件系统中，文件目录项如何设置？

        每个目录分配一个inode，表示目录条目的数量，而不是物理大小，具体的内容仅由inode的直接块指针引用，创建目录项实体，主要涉及GOSFS_Dir_Entry结构体，其中保存了目录和文件的相关信息，其中的blockLisas数组记录了文件数据块指针。

（4）在新文件系统中，如何创建一个文件？

        通过调用自定义Find_InodeByName()子函数检查文件是否存在，如果文件不存在，再进行写操作的检查，允许写操作则调用CreateFileINode()函数来创建inode节点，其中进行搜索根节点和间接节点的操作；如果文件存在，则调用vfs.c中内置的Allocate_File()分配文件对象，其中文件对象参数s_gosfsFileOps关联了文件相关操作&GOSFS_Write()，&GOSFS_Read()，&GOSFS_Seek()，&GOSFS_Clone()等，最后返回该文件指针。

        也可以认为是，先通过Find_InodeByName()判断文件是否存在，存在了就不能拿这个名创建，不存在就可以创建文件，先用CreateFileINode()函数来创建inode节点，接着创建文件实体，接着把文件实体的信息赋值好，接着通过Allocate_File()分配文件对象，最后返回该文件指针。

（5）在新文件系统中，如何读写一个文件？

        写文件操作：检查写操作是否允许被执行，接着计算需要写入的数据块startblock以及写入起始地址startblockOffset，for循环计算需要写入的数据块数量，每一次循环调用CreateFileBlock()分配空间，通过GetPhysicalByLogical()函数来计算开始写入的物理地址，最后通过Get_FS_Buffer()函数写数据,结束循环后更新inode节点的状态信息读文件操作：检查读操作是否允许被执行，再检查文件指针是否在文件尾，遍历开始块到结束块，计算开始读的物理地址，将数据读入缓存，最后不用时记得释放缓存。

（6）在新文件系统中，文件的目录结构如何设置？

        文件的目录结构分为直接块、间接块还有二级间接的方式。

（7）在新文件系统中，如何给一个文件分配磁盘空间？

        以块的形式给一个文件分配磁盘空间。

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