【Nachos】山东大学操作系统实验四 扩展文件系统

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一、完成情况概览

• 熟悉了解了Nachos的文件系统机制
• 实现了文件扩展
• 实现了文件cut，并编写新的命令行参数 -hap2的对应函数进行测试
• 特点，遵循Nachos文件系统组织结构，在合适的地方增改

二、Nachos文件系统机制研究

1、 Nachos 文件系统的组织结构

• 磁盘其实就是，unix下的一个名字叫Disk的文件

• 其中I/O控制层，DISK模块完成的工作实际上是将文件指针定位到合适位置，读写Disk的文件。

• 基本文件层SynchDisk，给‘磁盘’读写加锁，保证同步

2、例子：Nachos如何创建文件，读写文件

1)创建文件

• 文件系统最高层——Filesys调用它的成员函数Create(char *name, int initialSize)
• 然后访问Directory,判断是否还有空目录项
• 访问Bitmap，查看是否有空扇区，来放置header
• 如果有空间，增加新目录项，创建新的FileHeader，在hdr中给文件分配空间，再次访问Bitmap，检查是否还有空扇区
• 如果空间足够，文件allocate成功，将header写回磁盘（位置是第三步分配的扇区），将目录写回磁盘

2）读写文件

• 文件系统最高层——Filesys调用它的成员函数Open(char *name)
• 然后访问Directory，根据文件名Find到该文件i-node扇区位置
• OpenFile利用i-node位置，完成文件打开操作
• 在OpenFile里调用 Write(char *from, int numBytes)，开始写文件
• 写的时候，会访问header，查看FileSize等属性
• 写文件调用SynchDisk，SynchDisk再调用Disk

3、Nachos的文件为什么是不可扩展的

由前两步，对文件创建，读写的操作流程，可以看出。

• 一个文件的大小是在创建时定的，在header，allocate时候，传入参数fileSize，按fileSize分配恰好合适大小的扇区数量
• 在openfile的write时，当写的位置超过fileSize时，会直接切掉超出部分，只是write不超出部分
• 所以一个文件的大小从创建开始是不会改变的

三、实现扩展文件

根据上面的分析可以知道，实现后期改变文件大小，主要需要修改，OpenFile和FileHeader

1、给OpenFile增加ChangeFileSize(int newSize)接口

• 遵循Nachos文件系统组织结构，FileHeader不访问OpenFile，所以在该接口中将调用FileHeader的成员函数，实现文件扩展，并将bitmap的OpenFile对象作为参数传入
• 方便增加测试函数，扩充Nachos命令行参数

bool
OpenFile::ChangeFileSize(int newSize)
{
    int file_size=hdr->FileLength();
    OpenFile *bitmapfile = new OpenFile(0);

    if(newSize==file_size)
    {
	printf("改变文件大小成功！");
	return true;
    }
    if(newSize>file_size)
	return hdr->ExtendFile(bitmapfile,newSize);
    else if(newSize>0) 
	return hdr->CutFile(bitmapfile,newSize);
    else
	printf("cut文件失败！");
	return false;
}

2、给FileHeader增加ExtendFile(OpenFile *bitmapfile,int newSize)接口

如果空间足够，分配需要空间，修改相关成员变量

bool
FileHeader::ExtendFile(OpenFile *bitmapfile,int newSize)
{
    int newNumSectors  = divRoundUp(newSize, SectorSize);//上取整

    if(newNumSectors == numSectors){
        numBytes = newSize; 
	printf("扩展文件成功\n");
        return true;    //扇区数量不变
    }

    int diffSector = newNumSectors - numSectors;    

   // OpenFile *bitmapfile = new OpenFile(0);
    BitMap *freeMap = new BitMap(NumSectors);
    freeMap->FetchFrom(bitmapfile);

    //printf("debug in fhdr extend where new Sector=%d \n",freeMap->NumClear());
    if(newNumSectors>NumDirect||freeMap->NumClear()< diffSector){
	printf("扩展文件失败\n");
	return false;   //磁盘空间不足
    }
    //allocate the new sectors and store them into file header
    int i;
    for(i = numSectors; iFind();
    }
    numBytes = newSize;
    numSectors = newNumSectors;

    printf("扩展文件成功\n");
    return true;

}

3、更改OpenFile的write函数

write时空间不够，将触发文件扩展。

if ((numBytes <= 0) || (position > fileLength))
    	return 0; 				// check request
    if ((position + numBytes) > fileLength)
	if (!ChangeFileSize(position+numBytes))	
	    numBytes = fileLength - position;  //如果扩展失败还按照原方式将，多出来的字节去掉

4、在OpenFile增加inode的writeback函数，更新inode磁盘内容

void
OpenFile::WriteBack()
{
    hdr->WriteBack(hdrSector);
}

5、测试展示

四、实现cut文件和其测试函数

OpenFile的增改在上一步中已经完成

1、在FileHeader增加CutFile(OpenFile *bitmapfile,int newSize)接口

功能是，缩减文件，将多余部分cut掉

bool
FileHeader::CutFile(OpenFile *bitmapfile,int newSize)
{
    int newNumSectors  = divRoundUp(newSize, SectorSize);//上取整

    if(newNumSectors == numSectors){
        numBytes = newSize; 
	printf("cut文件成功\n");
        return true;    //扇区数量不变
    }
    

    //OpenFile *bitmapfile = new OpenFile(0);
    BitMap *freeMap = new BitMap(NumSectors);
    freeMap->FetchFrom(bitmapfile);
  //cut off 
    int i;
    for(i = newNumSectors; iClear(dataSectors[i]);
    }
    numBytes = newSize;
    numSectors = newNumSectors;

    printf("cut文件成功\n");
    return true;

}

2、扩充Nachos命令行参数 -hap2

它将调用HAppend(char *unixFile,char *nachosFile)接口

实现的功能同-hap，增加这个函数，是为了测试cutFile接口

void 
HAppend(char *unixFile,char *nachosFile)
{
//cut half of nachosfile

    OpenFile* openFile;
    if ( (openFile = fileSystem->Open(nachosFile)) == NULL)
    {
	// file "to" does not exits, then create one
	if (!fileSystem->Create(nachosFile, 0)) 
	{
	    printf("Append: couldn't create the file %s to append\n",nachosFile);
	    return;
	}
	openFile = fileSystem->Open(nachosFile);
    }

    ASSERT(openFile != NULL);
    int fileSize = openFile->Length();
    openFile->ChangeFileSize(fileSize/2);
    openFile->WriteBack();
    printf("inodes have been written back\n");
    
    // Close the UNIX and the Nachos files
    delete openFile;
    Append(unixFile,nachosFile,0); 
    
}

3、测试展示

可以看到，效果和-hap一样，说明，CutFile是成功的