Nachos文件系统目录树实现

扩展Nachos的文件系统

实验任务

尝试多级目录（目录树）的设计与实现方法。

拓展（选做）：目前Nachos文件系统仅仅实现了单级目录结构，只有一个根目录。可以尝试采用目录树对文件进行管理。

设计思路

整体思路

​ 在数据结构课设中，实现过带父结点指针的兄弟链表所实现的目录树，但是阅读Nachos代码，发现目录节点是DirectoryEntry并且在一开始初始化目录的时候，是以数组的形式初始化的，这样就不好进行像链表那样的动态新建目录或者文件的操作，也没法像链表一样索引关联节点。但是可以使用模拟指针的思想，以下标作为索引值，来找到某个文件/目录的父目录、左孩子、以及兄弟结点，从而能够遍历整颗树。

​ 按照上面的思路进行编程发现，不需要那么强的拓展功能，所以不采用兄弟链表作为数据结构了，而是采用带模拟指针的多叉树数据结构来实现目录树和多级目录，并且使用graphviz+dot 可视化目录树。

修改DirectoryEntry

首先修改DirectoryEntry，加入两个模拟指针以及孩子数的记录如下

class DirectoryEntry {
  public:
    bool inUse;             // Is this directory entry in use?
    int sector;             // Location on disk to find the 
                    //   FileHeader for this file 
    char name[FileNameMaxLen + 1];  // Text name for file, with +1 for 
                    // the trailing '\0'

    int parent;       // father dir 's index
    int Child_Num;    // dir's child num
    int children[MaxDirChildNUm];    // dir's children
    // bool filetype;    // 0文件 1目录

};

Directory 的构造函数

在Directory 的构造函数中，设置0目录项是根目录Root，初始化的相关信息。他的父节点为-1，即没有，且children全为-1，即未分配。

Directory::Directory(int size)
{
    table = new DirectoryEntry[size];
    tableSize = size;
    for (int i = 0; i < tableSize; i++){
        table[i].inUse = FALSE;
        // update
        table[i].Child_Num = 0;
        table[i].parent = 0;
        for(int j = 0; j < MaxDirChildNUm; j ++){
            table[i].children[j] = -1;
        }
    }
    // set table[0] as root
    table[0].parent = -1;
    table[0].inUse = TRUE;
}

Directory::Add

阅读代码发现，在目录中，真正在cp命令时发挥作用的是FindIndex 以及 Add函数，首先修改Add函数

思路：

• 看文件是否存在

• 分割路径(因为可能是多级目录路径)

• 找到要添加的节点的父节点

• 加入新节点并且更新新节点信息

• 更新父节点信息

代码

bool
Directory::Add(char *name, int newSector)
{ 
    // My Code
    // 1. Judge whether file is alread exists
    if (FindIndex(name) != -1)
       return FALSE;
    // 2. Split the path
    string copy_name = name;
    // Split it from the last file
    // For example: dir1/dir2/dir3/file   cut into:
    int cutpos = -1;
    // Seek Cut Position
    for(int i=0;i 0){
        // Limit 100 level
        char cstrParentName[1000];
        strcpy(cstrParentName , ParentDir.c_str());
        ParentDirId = FindIndex(cstrParentName);
    }
    // 4. Add new node in DirTable, and add info into Table Tree
    for(int i=1;i

修改FindIndex

修改FindIndex函数使其能够正确根据多级路径查找目录表项

思路

• 检查是否DISK初始化(即存在根目录)

• 分割路径

• 找到根目录下第一级目录

• 从上到下进行扫描，匹配路径名称直到找到最后一个文件/目录

代码

int
Directory::FindIndex(char *name)
{
    // origin code
    /*
    for (int i = 0; i < tableSize; i++)
        if (table[i].inUse && !strncmp(table[i].name, name, FileNameMaxLen))
        return i;
    return -1;      // name not in directory
    */


   // My updated code

   // List();

   // 1. Check whether there is dir or file from root
    if(table[0].Child_Num <= 0){
        printf("No dir or file from root\n");
        return -1;
    }

    // 2. Split the multi path
    vector PathTable = SplitPath(name);

    // 3. Find the first root dir ForExample :  dir1/dir2/dir3/txt
    //                            We need to find dir1 firstly 
    // to scan
    string scandir = PathTable[0];
    // index of the first dir
    int firstDirIndex = -1;
    for(int i = 0; i < table[0].Child_Num; i ++){
        int index = table[0].children[i];
        // judge inuse
        if(!table[index].inUse)
            continue;
        // judge Name Equal
        bool issame = JudgeNameEqual(scandir,index,table);
        if(issame){
            firstDirIndex = index;
            break;
        }
    }

    // check valid
    if(firstDirIndex == -1)
        return -1;

    // 4. From up to bottom  scan the Tree  and  match
    //    To find final parent dir
    // maybe just one dir
    if(PathTable.size() == 1)
        return firstDirIndex;

    // multi dir
    // and parent Id is the parent of target file (which means target dir)
    int parentId = firstDirIndex;
    // scan multi dir to match name
    for(int i = 1; i < PathTable.size(); i ++){
        // find flag 
        bool isfind = FALSE;
        // scan this level's child to match
        for(int j = 0; j < table[parentId].Child_Num; j++){
            // In this level, current scan ID
            int currentId = table[parentId].children[j];
            // check inuse
            if(!table[currentId].inUse)
                continue;
            // check name
            bool issame = JudgeNameEqual(PathTable[i],currentId,table);
            if(issame){
                // we find the next dir
                isfind = true;
                // record the last dir in parentId
                parentId = currentId;
                break;
            }
        }
        // Find Failed
        if(!isfind)
            return -1;
    } 
    printf("Successfully Find: %s",parentId);
    // return the parent Dir
    return parentId;    
}

List

为了展示目录树，修改List代码

思路

从table[0] 即根目录开始向下遍历，迭代输出所有文件和目录的名称

代码

void
Directory::List()
{
   // My codes:
   // List all the file names in dir
    printf("Directory Contents:\n");
    printf("/root\n");
    // from the root
    for(int i=1;i PathTable;
            int index = i;
            // find the parents
            while(table[index].parent != -1){
                string tmp = table[index].name;
                PathTable.push_back(tmp);
                index = table[index].parent;
            }
            // cout the path
            printf("/root");
            for(int j = PathTable.size() - 1; j >= 0; j --){
                printf( "/");
                cout << PathTable[j];
            }
            printf("\n");
        }
    }
}

Print

修改Print函数 使-D 指令能够正常执行

思路

• 从上到下进行层次遍历，名字记录在vector里，然后输出

代码

void
Directory::Print()
{ 
    // My Codes
    FileHeader *hdr = new FileHeader;
    printf("Directory contents:\n");
    for (int i = 0; i < tableSize; i++){
        if (table[i].inUse) {
            vector PathTable;
            int index = i;
            // not to root
            while(table[index].parent != -1){
                string temp = table[index].name;
                PathTable.push_back(temp);
                index = table[index].parent;
            }
            printf("Name: /root");
            // the next path
            for(int j=PathTable.size()-1;j>=0;j--){
                printf("/");
                cout<FetchFrom(table[i].sector);
            hdr->Print();
        }
    }
    printf("\n");
    delete hdr;
}

Remove

重写Remove函数，使其能够正常删除多级目录，并且能够递归删除含有文件或者目录的目录

思路

• 根据多级目录 找到该文件
• 修改目录表项的InUse信息
• 更新有关父节点的信息
• 如果删除的是目录，递归删除该目录所有内容

代码

bool
Directory::Remove(char *name)
{ 
    // MY codes:
    int i = FindIndex(name);
    // name not in directory
    if (i == -1)
       return FALSE;        
    // clean dir table set false
    table[i].inUse = FALSE;

    // Update parent
    int parentId = table[i].parent;
    // Until Roor
    if(parentId != -1){
        // record other child except I
        vector tempChild;
        for(int j=0;j

递归删除子目录或者子文件DeteleChildren

//---------------------------------------------------------------------
// Directory::DeteleChildren
//
//  "name" -- the file name to be removed
//----------------------------------------------------------------------
void 
Directory::DeteleChildren(int i){
    for(int j = 0; j < table[i].Child_Num; j ++){
        int index = table[i].children[j];
        if(table[index].inUse){
            table[index].inUse = FALSE;
            table[index].Child_Num = 0;
            DeteleChildren(index);
        }
    }
}

可视化

(1) 增加 -V 参数 代表visualize Catalog Tree

(2) 在filesys 添加相应成员函数

以及

//---------------------------------------------------------------------
// FileSystem::VisualTree
//  Visual CataLog TRee
//---------------------------------------------------------------------
void
FileSystem::VisualTree()
{
    Directory *directory = new Directory(NumDirEntries);

    directory->FetchFrom(directoryFile);
    directory->VisualCataLogTree();
    delete directory;
}

(3) 在目录类中加入可视化函数:

思路

• 使用graphviz + dot 作图
• ofstream写出到文件dot代码
• 通过层次遍历添加dot代码
• 系统执行进行作图

代码

//--------------------------------------------------------------------
//  Directory::VisualCataLogTree
//  VisualCataLogTree
//--------------------------------------------------------------------
void Directory::VisualCataLogTree(){
    ofstream fout;
    fout.open("VisualCataLogTree.dot");
    fout<<"strict digraph s{\n";
    fout<<"root[shape=record,color=green];\n";
    for(int i=0;i PathTable;
            while(table[index].parent != -1){
                string s = table[index].name;
                PathTable.push_back(s);
                index = table[index].parent;
            }
            PathTable.push_back("root");
            for(int j=PathTable.size()-1;j>=1;j--)
                fout< "<

完成！

测试CataLogTree

修改宏定义

在directory.h

#define MaxDirChildNUm 20 // the number of child that a dir can have

使得最多有20个孩子

在filesys.cc中

#define NumDirEntries 20

使得目录表可以有20项，最多20个文件+目录

测试cp命令

执行如下代码

rm DISK
./nachos -f
./nachos -cp test/small /file1
./nachos -cp test/empty /dir1
./nachos -cp test/empty /dir12
./nachos -cp test/medium /file2
./nachos -cp test/medium /dir1/file21
./nachos -cp test/empty /dir1/dir2
./nachos -cp test/small /dir1/file22
./nachos -cp test/small /dir12/file121
./nachos -cp test/empty /dir12/dir21
./nachos -cp test/small /dir12/file122

测试-l命令

测试-V命令

输出图片

测试-r命令

./nachos -r /dir12
./nachos -r /file2
./nachos -V

结论体会

1. 在目录树的设计中，使用了m叉树，首先肯定是把这个数据结构应用到目录表上的，但是同时不仅仅需要修改目录表类的函数，很多其他函数也会修改，体现了操作系统紧密连接的

2. 实现目录表时，用了一些STL等工具，会方便很多，但是也出现了gcc版本不一致导致的错误，即在untils.h 和 sysdep.cc 里面定义了一些c++的工具时基于C++98和C++11差距较大，会报错，其中一种解决方案是把他们注释掉使用stdlib.h 库

3. 使用多叉树复杂度大致为$O(lo{g}_m(n))$，比单单一个线性表的目录表的查找更加高效，真实的操作系统应该需要这种高效。