操作系统实验——文件操作系统
目录
1 实验简介
2 I/O系统
相关参数与数据结构
3 文件系统
3.1 用户与文件系统之间的接口
3.2 文件系统的组织
初始化
3.3 目录
显示目录
3.4 文件的创建与删除
创建
删除
3.5 文件的打开与关闭
打开
关闭
3.6 读写
读
写
3.7 文件列表
3.8磁盘信息显示
3.9文件详细信息查看
3.10位图信息
3.11文件移动
4 测试
4.1 菜单
4.2 新建文件
4.3 查看文件列表
4.4 查看位图信息
4.5 打开/关闭文件
4.6 删除文件
4.7 移动文件
4.8 查看/修改文件内容
4.9 查看文件详情
4.10 查看磁盘存储情况（512*64）
5 总结
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。
相关参数与数据结构
//磁盘总大小为512*64
#define B 512 //定义存储块的长度B字节
#define L 64 //定义磁盘的存储块总数L，逻辑号0-(L-1)
#define K 3 //磁盘的前k 个块是保留区
#define OK 1 //操作成功
#define ERROR 0 //操作错误
#define File_Block_Length (B-3) //定义文件磁盘块号数组长度
#define File_Name_Length (B-1) //定义文件名的长度
//8*8共表示64个逻辑块，即磁盘的总块数：L
#define map_row_num 8 //位图的行数
#define map_cow_num 8 //位图的列数
#define maxDirectoryNumber 49 //定义目录中目录项（文件数量）的最大值
#define Buffer_Length 64 //定义读写缓冲区的大小，用于打开文件表项
typedef struct FileDescriptor{//文件描述符
int fileLength; //文件长度。单位：字节
int file_allocation_blocknumber[File_Block_Length]; //文件分配到的磁盘块号数组
int file_block_length; //文件分配到的磁盘块号数组实际长度
int beginpos; //文件的起始坐标位置beginpos=map_cow_num*row + cow
int rwpointer; //读写指针：初始化为0，随着RWBuffer变化
char RWBuffer[Buffer_Length]; //读写缓冲区，存文件的内容
}FileDescriptor;
typedef struct Directory{//目录项，此处仅代表文件
int index; //文件描述符序号
int count; //用于目录中记录文件的数量
char fileName[File_Name_Length]; //文件名
int isFileFlag; //判断是文件和是目录，1为文件，0为目录
int isOpenFlag; //判断文件是否打开，1为打开，0为关闭
FileDescriptor fileDescriptor; //文件描述符信息，与index 对应
}Directory;
char ldisk[L][B]; //构建磁盘模型
char memory_area[L*(B - K)]; //定义一个足够长的字符数组
char mem_area[L*(B - K)] = { '\0' };
Directory Directorys[maxDirectoryNumber + 1]; //包括目录在内，共有目录项maxDirectoryNumber+1，Directorys[0]保存目录
int bitMap[map_row_num][map_cow_num]; // 0:磁盘块空闲；1:磁盘块使用
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。
初始化
/**
* 函数名：Init
* 函数功能：初始化文件系统：初始化位图(0表示空闲，1表示被占用)；初始化0号文件描述符；
*/
void Init(){
int i, j;//两个计数量
/*初始化磁盘*/
for (i = 0; i3.3 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
显示目录
/**
* 函数名：show_Menu
* 函数功能：提示菜单选项
*/
void show_Menu(){
printf("==================菜单===================\n");
printf("** 1.新建文件\n");
printf("** 2.查看文件列表\n");
printf("** 3.查看位图信息\n");
printf("** 4.查看硬盘使用情况\n");
printf("** 5.删除文件\n");
printf("** 6.打开文件\n");
printf("** 7.关闭文件\n");
printf("** 8.移动文件\n");
printf("** 9.查看文件内容\n");
printf("** 10.修改文件内容\n");
printf("** 11.查看文件详细信息\n");
printf("** 0.退出\n");
printf("=========================================\n");
}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
创建
/**
* 函数名：create
* 函数功能：根据指定的文件名创建新文件
* @param filename
* @return
*/
int create(char *filename){
/*查询该文件是否存在*/
for (int i = 1; i <= maxDirectoryNumber; i++){
if (strcmp(Directorys[i].fileName, filename) == 0){
printf("该文件已存在!\n");
return ERROR; //文件存在
}
}
/*文件不存在，更新Directorys值*/
int sub,i,j;
//搜索文件列表，碰到第一个index=-1的值
for (i = 1; i <= maxDirectoryNumber; i++){
if (Directorys[i].index == -1){
//Directorys[i]
sub = i; //找到一个可以用的位置
break;
}
else if (i == maxDirectoryNumber){
printf("空间不足!");
return ERROR;
}
}
/*为sub目录项赋值*/
strcpy(Directorys[sub].fileName, filename);
//更新index
for (i = 1; i <= maxDirectoryNumber; i++){
if (!isExist(i)){ //如果不存在编号为i的index值
Directorys[sub].index = i; //更新index值
break; //更新结束
}
}
/*输入目录项其他项*/
printf("文件大小 (< 61*512 Byte):");
scanf("%d", &Directorys[sub].fileDescriptor.fileLength);
//计算需要空间块数量，用于判断剩余空间是否满足要求
int L_Counter;
if (Directorys[sub].fileDescriptor.fileLength%B){
L_Counter = Directorys[sub].fileDescriptor.fileLength / B + 1;
}
else{
L_Counter = Directorys[sub].fileDescriptor.fileLength / B;
}
//查位示图，找到没使用的位置
for (i = K; i删除
/**
* 函数名：destroy
* 函数功能：根据文件名删除文件
* @param filename
* @return
*/
int destroy(char *filename){
int sub,i;
for (i = 1; i <= maxDirectoryNumber; i++){//不是顺序的
if (strcmp(Directorys[i].fileName, filename) == 0){
sub = i;
break; //找到该文件
}
else if (i == maxDirectoryNumber){
printf("文件不存在！\n");
return ERROR; //搜索结束，未找到对应文件名
}
}
// printf("%d\n",sub);
//删除操作
if (Directorys[sub].isOpenFlag){
printf("文件已打开，不可删除，请关闭后删除！\n");
return ERROR;
}
/*更新位示图信息*/
//位示图为一个二维数组，记录的是磁盘块的横坐标值，表示该块磁盘是否空闲
int position = Directorys[sub].fileDescriptor.file_allocation_blocknumber[0]; //起始磁盘号
for (i = 0; i < Directorys[sub].fileDescriptor.file_block_length; i++){
int d_row = (position + i) / map_row_num;
int d_cow = (position + i) % map_row_num;
bitMap[d_row][d_cow] = 0;
}//赋值空闲
//更新Directorys[sub]信息
memset(Directorys[sub].fileName, '\0', File_Name_Length);//文件名初始化
Directorys[sub].index = -1; //初始化文件描述符序号为-1
/*配置文件描述符的相关项*/
memset(Directorys[sub].fileDescriptor.file_allocation_blocknumber, -1, File_Block_Length);
//初始化磁盘号数组为-1
Directorys[sub].fileDescriptor.file_block_length = 0; //初始化实际分配的磁盘号数组长度为0
Directorys[sub].fileDescriptor.fileLength = 0; //初始化文件长度为0
Directorys[sub].fileDescriptor.beginpos = 0; //初始化文件初始位置为0
memset(Directorys[sub].fileDescriptor.RWBuffer, '\0', Buffer_Length);
Directorys[sub].fileDescriptor.rwpointer = 0; //初始化读写指针
printf(" %s 删除成功！\n", filename);
/*文件数量处理*/
Directorys[0].count--;
return OK;
}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
打开
/**
* 函数名：open
* 函数功能：根据文件名打开文件。该函数返回的索引号可用于后续的read, write, lseek, 或close 操作
* @param filename
* @return
*/
int open(char *filename){
int sub;
//查询所有的目录项
for (int i = 1; i <= maxDirectoryNumber; i++){
if (strcmp(Directorys[i].fileName, filename) == 0){
sub = i;
break; //找到该文件
}
else if (i == maxDirectoryNumber){
return ERROR; //搜索结束，未找到对应文件名
}
}
Directorys[sub].isOpenFlag = 1; //打开文件标志
return OK;
}//open关闭
/**
* 函数名：close
* 函数功能：根据打开目录索引号关闭指定文件
* @param index
* @return
*/
int close(int index){
int sub; //下角标，表示Directorys[sub]
for (int i = 1; i <= maxDirectoryNumber; i++){
if (Directorys[i].index == index){
sub = i;
if (!Directorys[i].isOpenFlag){
printf("文件关闭！\n");
}
break; //找到
}
else if (i == maxDirectoryNumber){ //是否为最后一个查询的数据
printf("索引信息有误\n");
return ERROR; //index 数据有错误，找不到该索引
}
}//for
//把缓冲区的内容写入磁盘
int pos = Directorys[sub].fileDescriptor.file_allocation_blocknumber[0];//纵坐标的起始位置
for (int i = 0; i3.6 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。
读
/**
* 函数名：read
* 函数功能：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
* @param index
* @param mem_area
* @param count
* @return
*/
int read(int index, char memory_area[], int count){
int sub = isExist(index);
if (sub == ERROR){
printf("索引信息有误 !\n");
return ERROR;
}
/*找到文件*/
/*打开文件进行操作*/
if (!Directorys[sub].isOpenFlag){
open(Directorys[sub].fileName);
}
/*读ldisk内容并复制到memory_area[]中*/
int step_L = Directorys[sub].fileDescriptor.file_allocation_blocknumber[0];
//L的起始位置
int step_ = Directorys[sub].fileDescriptor.file_block_length - 1; //记录要拷贝块的数量
/*将文件以B为大小划分后拷贝给mem_area[]*/
int pos = 0;
for (int i = 0; i写
/**
* 函数名：write
* 函数功能：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
* @param index
* @param mem_area
* @param count
* @return
*/
int write(int index, char memory_area[], int count){
/*根据index找到文件*/
int sub = isExist(index);
if (sub == ERROR){
printf("索引信息有误!\n");
return ERROR;
}
/*找到文件*/
/*打开文件进行操作*/
if (!Directorys[sub].isOpenFlag){
open(Directorys[sub].fileName);
}
/*读入要写的内容*/
int i = 0;
int step_ = 0;//file_allocation_blocknumber[]下标计数器
int num = 0;//RWBuffer[]读写次数计数器
int step_L;
int step_B;
int COUNT = count;
while (count){
Directorys[sub].fileDescriptor.RWBuffer[i] = memory_area[COUNT - count];
count--;//count计数递减
i++;//计数+1
if (i == Buffer_Length){
int step_L = Directorys[sub].fileDescriptor.file_allocation_blocknumber[step_];
//列坐标
int step_B = Buffer_Length * num;
save(step_L, step_B, Buffer_Length, sub);//复制完成
num++;
if (num == B / Buffer_Length){//写完一行，进入下一行
num = 0;
step_++;
}
i = 0;
//
}
if (count == 0){
step_L = Directorys[sub].fileDescriptor.file_allocation_blocknumber[step_];
step_B = Buffer_Length * num;
save(step_L, step_B, i, sub);
break;
}
}//while
memset(Directorys[sub].fileDescriptor.RWBuffer, '\0', Buffer_Length);
return OK;
}3.7 文件列表
/**
* 函数名：directory
* 函数功能：列表显示所有文件及其长度
*/
void directory(){
if (Directorys[0].count == 0) {
printf("无文件\n");
}
for (int i = 1; i <= Directorys[0].count; i++){
if (Directorys[i].index != -1){ //index值有效的文件输出
printf(" %d ：%s\t\t", i, Directorys[i].fileName);
printf("大小：%d Byte\n", Directorys[i].fileDescriptor.fileLength);
}//
}
}//directory3.8磁盘信息显示
/**
* 函数名：show_ldisk
* 函数功能：显示磁盘信息
*/
void show_ldisk(){
for (int i = 0; i3.9文件详细信息查看
/**
* 函数名：show_File
* 函数功能：显示文件信息
* @param filename
* @return
*/
int show_File(char *filename){
int sub;
//查询所有的目录项
for (int i = 1; i <= maxDirectoryNumber; i++){
if (strcmp(Directorys[i].fileName, filename) == 0){
sub = i;
break; //找到该文件
}
else if (i == maxDirectoryNumber){
return ERROR; //搜索结束，未找到对应文件名
}
}
printf("文件名：%s\n", Directorys[sub].fileName);
printf("是否打开 (Y:0 N:1)：%d\n", Directorys[sub].isOpenFlag);
//printf("index: %d\n", Directorys[sub].index);
printf("大小：%d Byte\n", Directorys[sub].fileDescriptor.fileLength);
return OK;
}3.10位图信息
/**
* 函数名：show_bitMap
* 函数功能：显示位图信息
*/
void show_bitMap(){
for (int i = 0; i3.11文件移动
/**
* 函数名：lseek
* 函数功能：把文件的读写指针移动到pos 指定的位置
* @param index
* @param pos
* @return
*/
int lseek(int index, int position){
//先找到index代表的数据项
int sub; //下角标，表示Directorys[sub]
for (int i = 1; i <= maxDirectoryNumber; i++){
if (Directorys[i].index == index){
sub = i;
break; //找到
}
else if (i == maxDirectoryNumber){ //是否为最后一个查询的数据
printf("索引信息有误!\n");
return ERROR; //index 数据有错误，找不到该索引
}
}//for
//找到index对应的元素后，把文件的读写指针移动到position 指定的位置
Directorys[sub].fileDescriptor.rwpointer = position;
return OK; //处理成功
}//lseek4 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。
4.1 菜单
4.2 新建文件
文件不存在
文件存在时
4.3 查看文件列表
4.4 查看位图信息
保存文件前
保存3个文件后
4.5 打开/关闭文件
打开文件 1.txt 与文件 2.txt
关闭文件 2.txt
4.6 删除文件
若文件已打开，则不可删除
若文件处于关闭状态，则顺利删除
删除成功
4.7 移动文件
4.8 查看/修改文件内容
查看文件 1.txt ：无内容
修改文件 1.txt ：
若大于文件大小，则不保存
查看文件 1.txt ：无保存的内容
若小于文件大小，则保存成功
再次查看文件 1.txt ：有保存的内容
4.9 查看文件详情
4.10 查看磁盘存储情况（512*64）
使用情况截图（部分）
5 总结
在这次设计中，我对于文件属性，文件命名，文件操作，文件存取方式有了更加深刻的理解，其中令我印象最为深刻的是文件目录的管理。其中的文件控制块跟索引节点起到了非常重要的作用。文件控制块中包含了有关文件存取控制的信息，文件结构的信息，文件使用的信息，文件管理的信息。查找文件时，根据文件名找到文件控制块，再通过控制块获得相应的信息。
为了减少检索文件访问的物理快熟，文件系统把文件目录项中的文件名和其他管理信息分开。后者单独组成定长的一个数据结构，称为索引节点。
本次实验时间较短，有诸多不完善之处，未来有时间讲进行总结及完善，另外还需要多借鉴他人文件系统的整体设计方式和思想，对文件系统有了一个比较全面深刻的认识。