实验五 文件系统
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。
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：
- 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。
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。
5 实验结果
磁盘结构体定义：
typedef struct {
int C; //柱面
int H; //磁头
int B; //扇区
}BlockInfo; BlockInfo ldisk[512];
ReadBlock函数：
void ReadBlock(int i, char *p, int B)
//把第i个磁盘块拷贝到指针p指向的内存。拷贝的字符数为盘块的大小B
{
if (*p != NULL && disk[i].disk_file)
for(int j = 0 ; j<B; j++)
strcpy(p, disk[i].disk_file);
else
return;
}
WriteBlock函数：
void WriteBlock(int i, char *p)
//把p指向的内存位置开始的B个字符拷贝到第i个磁盘块中
{
int j = 0;
while (*(p + j) != NULL)
{
disk[i].disk_file[j] = *(p + j);
j++;
}
return;
}
create(): 根据指定的文件名创建新文件。
bool Create()//创建文件命令
{
char filename[20];
FILEACCESS *pa = filea;
FILEINDEX *p = files->next;
cout << "请输入要创建的文件名: "<<endl;
cin >> filename;
while (p) {
if (strcmp(filename, p->filename) == 0) {
cout << "文件名已存在！"<<endl;
return 0;
}
if (!p->next)
break;
p = p->next;
}
p->next = (FILEINDEX*)malloc(sizeof(FILEINDEX));
p = p->next;
strcpy(p->filename, filename);
p->access = 2;
p->length = 0;
p->next = NULL;
while (pa->next)
pa = pa->next;
pa->next = (FILEACCESS*)malloc(sizeof(FILEACCESS));
pa = pa->next;
strcpy(pa->filename, filename);
pa->access = 2;
pa->point = 0;
pa->next = NULL;
return 1;
}
delete(): 删除指定文件。
bool Delete()//删除文件命令
{
char filename[20];
FILEINDEX *p = files;
FILEINDEX *temp;
cout << "请输入要删除的文件名: "<<endl;
cin >> filename;
while (p->next) {
if (strcmp(filename, p->next->filename) == 0) {
temp = p->next;
p->next = p->next->next; //删除
free(temp);
printf("文件 %s 删除成功!\n", filename);
return 1;
}
p = p->next;
}
cout << "文件不存在!"<<endl;
return 0;
}
open(): 打开文件。
bool Open()//打开文件命令
{
char filename[20];
int temp = 2;
cout << "请输入要打开的文件名: "<<endl;
cin >> filename;
FILEINDEX *pi = files->next;
FILEACCESS *pa = filea->next;
while (pa) {
if (strcmp(filename, pa->filename) == 0) {
printf("文件 %s 已打开!\n", filename);
return 1;
}
if (!pa->next)
break;
pa = pa->next;
}
if (!pa) pa = filea;
while (pi) {
if (strcmp(filename, pi->filename) == 0) {
pa->next = (FILEACCESS*)malloc(sizeof(FILEACCESS));
pa = pa->next;
strcpy(pa->filename, pi->filename);
pa->access = temp;
if (temp == 1) {
pa->point = 0;
}
else {
pa->point = pi->length;
}
printf("文件 %s 已打开!\n", filename);
pa->next = NULL;
return 1;
}
pi = pi->next;
}
cout<<"文件不存在!"<<endl;
return 0;
}
close(): 关闭文件。
void Close()//关闭文件命令
{
char filename[20];
FILEINDEX *pu = files->next;
cout << "请输入要关闭的文件名: "<<endl;
cin >> filename;
FILEACCESS *p = filea;
FILEACCESS *temp;
while (p&&p->next) {
if (strcmp(filename, p->next->filename) == 0) {
temp = p->next;
p->next = p->next->next;
if (temp->access == 2) {
while (pu) {
if (strcmp(temp->filename, pu->filename) == 0) {
pu->length = temp->point;
break;
}
pu = pu->next;
}
}
free(temp);
printf("文件 %s 关闭成功!\n", filename);
return;
}
p = p->next;
}
cout << "文件未打开!" << endl;
}
read(): 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。
int Read()//读文件命令
{
char filename[20];
int length;
FILEACCESS *p = filea->next;
cout << "请输入要读的文件名: "<<endl;
cin >> filename;
cout << "请输入要读的长度: "<<endl;
cin >> length;
while (p) {
if (strcmp(filename, p->filename) == 0) {
p->point += length;
printf("文件 %s 读取成功!\n", filename);
return 1;
}
p = p->next;
}
cout << "读取失败!"<<endl;
return 0;
}
write(): 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。
int Write()//写文件命令
{
char filename[20];
int length;
FILEACCESS *p = filea->next;
cout << "请输入要写的文件名: "<<endl;
cin >> filename;
while (p) {
if (strcmp(filename, p->filename) == 0) {
cout << "请输入要写的长度"<<endl;
cin >> length;
p->point += length;
cout<<"写入成功!"<<endl;
return 1;
}
p = p->next;
}
cout << "写入失败!"<<endl;
return 0;
}
directory(): 列表显示所有文件及其长度。
void Directory() {
FILEACCESS *pa = filea->next;
FILEINDEX *pu = files->next;
while (pa) {
if (pa->access == 2) {
while (pu) {
if (strcmp(pa->filename, pu->filename) == 0) {
pu->length = pa->point;
break;
}
pu = pu->next;
}
}
pa = pa->next;
}
FILE *fp;
FILEINDEX *p = files->next;
if ((fp = fopen(Users, "w")) == NULL) {
cout << "用户名出错!" << endl;
exit(1);
}
while (p) {
fprintf(fp, "%s", "\n");
fprintf(fp, "%s%s", p->filename, "\t\t");
fprintf(fp, "%d%s", p->access, "\t\t");
fprintf(fp, "%d", p->length);
p = p->next;
}
fclose(fp);
PrintFileIndex();
}
查看文件情况，删除指定文件。
创建新文件。
写入内容。
关闭文件。
代码已上传至GitHub。
https://github.com/Bismarck0116/OS-homework-experiment/tree/master/experiment 5