操作系统课程设计：模拟文件系统
文章目录
- 1.实验要求
- 2.实验环境
- 3.实验设计
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- 3.1系统流程
- 3.2文件结构
- 3.3实现的命令
- 4.数据结构
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- 4.1 用户数据结构
- 4.2 文件数据结构
- 4.3 目录数据结构
- 5.模块详解
-
- 5.1 用户指令
-
- 5.1.1 cd
- 5.1.2 ls
- 5.1.3 mkdir
- 5.1.4 touch
- 5.1.5 gedit
- 5.1.6 rm
- 5.1.7 cp
- 5.1.8 rename
- 5.1.9 su
- 5.1.10 cls
- 5.1.11 exit
- 5.1.12 help
- 5.2 其他系统操作
-
- 5.2.1 登录
- 5.2.2 保存系统状态
- 5.2.3 恢复系统状态
- 5.2.4 路径解析
- 6.实验演示
-
- 6.1登录
- 6.2帮助文档与使用说明
- 6.3 cd命令
- 6.4 ls命令
- 6.5 mkdir命令
- 6.6 touch命令
- 6.7 gedit命令
- 6.8 rm命令
- 6.9 cp命令
- 6.10 用户权限
- 实现代码
1.实验要求
-
设计和实现一个模拟文件系统，要求包括目录、普通文件和文件的存储。。
-
文件系统的目录结构采用类似Linux的树状结构。
-
要求模拟的操作包括：
-
目录的添加、删除、重命名；
-
目录的显示（列表）；
-
文件的添加、删除、重命名；
-
文件和目录的拷贝；
-
文件的读写操作。
-
用户进入时显示可用命令列表；用户输入help时显示所有命令的帮助文档；
输入某个命令+？时显示该条命令的使用说明。 -
用户输入exit时退出该系统。
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实验实现基于LINUX平台。
-
实验开发语言必须选用C/C++，不能选用JAVA。
2.实验环境
-
调试环境：
-
操作系统：Ubuntu 16.04 TLS；
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内存：3.5GiB
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处理器：AMD E-350 Processor×2
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图形：AMD PALM（DRM 2.50.0/4.15.0-45-generic,LLVM 6.6.6）
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操作系统类型：64位
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磁盘：30.4GB
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开发环境：
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开发工具：Visual Studio 2017；
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操作系统：Windows 10 家庭中文版；
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处理器：Inter® Core™ i7-8565u CPU @ 1.8GHz 1.99 GHz；
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内存：8.00 GB；
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系统类型：64位操作系统，基于x64的处理器。
-
3.实验设计
3.1系统流程
整体系统操作模拟Ubuntu命令行，具体流程如下：
3.2文件结构
整体系统采用属性结构组织文件，具体图示如下：
3.3实现的命令
| 命令 | 用法 | 说明 | 选项 |
|---|---|---|---|
| cd | cd [dir] | 显示当前目录名或改变当前目录 | 无 |
| ls | ls [dir] | 显示当前或指定路径下所有文件和目录 | 无 |
| mkdir | mkdir dir | 在当前目录下建立一个新目录 | 无 |
| touch | touch file | 在当前目录下新建一个新文件 | 无 |
| gedit | gedit file | 读写指定的文件 | 无 |
| rm | rm -d|-f file|dir | 删除指定的目录或文件 | -d：删除目录 -f：删除文件 |
| cp | cp -d|-f|-cd|-cf SOURSE DEST | 从原路径复制一个文件或目录到目的路径下 | -d：复制目录 -f：复制文件 -cd：复制目录，但不在原路径下保留原目录 -cf：复制文件，但不在原路径下保留原文件 |
| rename | rename -d|-f oldname newname | 更改指定文件或目录的名字 | -d：重命名目录 -f：重命名文件 |
| su | su | 更改当前用户 | 无 |
| cls | cls | 清屏 | 无 |
| exit | exit | 退出文件系统 | 无 |
| help | help | 显示帮助文档 | 无 |
4.数据结构
为简化代码结构，系统未采用面向对象编程的思想。将用户、文件、目录分别封装成一个struct结构体。
4.1 用户数据结构
struct user
{
string name;//用户名
string password;//密码
};
说明：用户结构体中包含用户的用户名以及密码。
4.2 文件数据结构
struct file
{
string name;//文件名
vector<string> content;//文件内容
user owner;//文件所有者
};
说明：文件结构体包含文件名、文件内容以及文件所有者。需要特别指出的是，目前系统实现的多用户权限可以概括为：文件创建者为文件所有者，非文件所有者可以知道该文件的存在，但不能对该文件执行读写、复制、删除等操作。
4.3 目录数据结构
struct dir {
string name;//目录名
dir* pre;//父目录
map<string, file*> files;//所包含的文件
map<string, dir*> next;//子目录
};
说明：目录结构体包含目录名、父目录、当前目录下的文件以及直接子目录。其中，为方便代码编写，后两个成员使用map容器包装，其中map的first为文件名（或目录名），second为对应的文件指针（或目录指针）。
5.模块详解
5.1 用户指令
以下按3.3节展开。
5.1.1 cd
-
说明：显示当前目录的绝对路径或改变当前目录。
-
流程图：
- 关键代码：
//cd
void cd(string name) {
if (name == "") {
//显示当前目录的绝对路径
}
else {
dir* tmp = pathTrans(name);//解析路径
if (tmp == NULL) {
cout << "No Such Directory.\n";
}
else {
curdir = tmp;//进入用户输入的路径
}
}
}
5.1.2 ls
-
说明：显示当前目录下或指定路径下所有文件和目录。
-
流程图：
- 关键代码：
//ls
void ls(string path) {
dir *tmp = curdir;
if (path != "") {
curdir = pathTrans(path);//解析路径
if (curdir == NULL) {
//输出错误提示
}
}
//遍历输出文件和目录信息
for (auto it = curdir->files.begin(); it != curdir->files.end(); it++) {
}
for (auto it = curdir->next.begin(); it != curdir->next.end(); it++) {
}
curdir = tmp;
}
5.1.3 mkdir
-
说明：在当前目录下建立一个新目录。
-
用法：mkdir dir，其中dir表示新建目录的目录名。
-
流程图：
- 关键代码：
//创建目录
void mkdir(string name) {
if (name == "") {
cout << "Require Parameters" << endl;
}
else if (curdir->next.find(name) != curdir->next.end()) {
cout << "There is a directory having same name.\n";
}
else if (!judgeName(name)) {
cout << "Name has at least a illegal character.\n";
}
else {
dir *tmp = new dir();//一定要这样创建，否则字符串后面就不能读取
tmp->name = name;
tmp->pre = curdir;
curdir->next[name] = tmp;
}
}
5.1.4 touch
-
说明：在当前目录下新建一个新文件。
-
用法：touch file，其中file表示新建文件的文件名
-
流程图：
- 关键代码：
//建立文件
void touch(string name) {
if (name == "") {
cout << "Require Parameters" << endl;
}
else if (curdir->files.find(name) != curdir->files.end()) {
cout << "There is a same file.\n";
}
else if (!judgeName(name)) {
cout << "Name has at least a illegal character.\n";
}
else
{
//建立对应的新文件
}
}
5.1.5 gedit
-
说明：读写指定的文件。
-
用法：gedit file，其中file表示需要读写的文件，可以用绝对路径或相对路径指定。
-
流程图：
- 关键代码：
//编辑文件
void gedit(string name) {
dir *t = curdir;
if (name.find_last_of('/') != name.npos) {
//解析路径
}
//是否存在目标文件
if (curdir->files.find(name) == curdir->files.end()) {}
//目标文件是否为当前用户所拥有
else if (curdir->files[name]->owner.name != curuser.name) {}
else {
ofstream out("tmp.dat");
//将文件当前内容输入临时文件
for (int i = 0; i < curdir->files[name]->content.size(); i++) {}
out.close();
//用gedit打开临时文件
system("gedit tmp.dat");
//读取临时文件中的内容，存入文件
ifstream in("tmp.dat");
while (getline(in, t)) {
//读取临时文件内容
}
}
curdir = t;
}
-
代码解释：
因本文件系统完全运行在内存中，创立的文件与目录并未存在实际磁盘中。因此，为提高用户读写文件的体验，在此引入了一个临时文件机制：将存储在内存中的文件暂时存储到临时文件中，然后用gedit打开这个临时文件。在用户编辑完成后，再将临时文件中的内容转存到内存中。
Gedit是一个GNOME桌面环境下兼容UTF-8的文本编辑器。它使用GTK+编写而成，因此它十分的简单易用，有良好的语法高亮，对中文支持很好，支持包括gb2312、gbk在内的多种字符编码。
虽然这样的操作效率不高，但是借助gedit强大的功能，能给用户带来一种编辑真实文件的体验。
5.1.6 rm
-
说明：删除指定的目录或文件。
-
用法：rm -d|-f
file|dir，其中file与dir代表需要删除的文件或目录，目录（或文件）均可用绝对路径或者相对路径表示。 -
选项：
-
-d：删除目录；
-
-f：删除文件。
-
-
流程图：
- 关键代码：
//删除
void rm(string tmp) {
//选项解析，路径解析
//删除目录
if (option == "-d") {
//是否存在目标目录
if (curdir->next.find(name) == curdir->next.end()) {}
else {
deletedir(curdir->next[name]);//递归删除
}
}
else if (option == "-f") {
//是否存在目标目录
if (curdir->files.find(name) == curdir->files.end()) {}
//是否为文件所有者
else if (curdir->files[name]->owner.name != curuser.name) {}
else {
delete(curdir->files[name]);
}
}
}
- 代码解释：因本系统采用树形的目录结构，因此在删除目录时需要用到递归，如deletedir函数所示。
//递归删除目录
void deletedir(dir *cur) {
//先删文件
for (auto it = cur->files.begin(); it != cur->files.end(); it++) {
delete(it->second);
}
cur->files.clear();
//再删目录，要嵌套删除
for (auto it = cur->next.begin(); it != cur->next.end(); it++) {
deletedir(it->second);
}
cur->next.clear();
delete(cur);
}
5.1.7 cp
-
说明：复制一个文件或目录到指定路径下。
-
用法：cp -d|-f|-cd|-cf SOURCE
DEST，其中SOURCE为需要复制的文件或目录，DEST为需要复制到的路径。SOURCE与DEST均可用绝对路径或者相对路径表示。 -
选项：
-
-d：复制目录
-
-f：复制文件
-
-cd：复制目录，但不在原路径下保留原目录
-
-cf：复制文件，但不在原路径下保留原文件
-
-
流程图：
- 关键代码：
//复制
void cp(string tmp) {
//解析选项与路径
if (option == "-f") {
//是否有同名文件
if (den->files.find(name) != den->files.end()) {}
//是否存在目标文件
else if (sou->files.find(name) == sou->files.end()) {}
//是否为当前用户所拥有
else if (curdir->files[name]->owner.name != curuser.name) {}
else {
file *tmp = new file(*(sou->files[name]));//复制文件
den->files[name] = tmp;//放入目的目录下
}
}
else if (option == "-d") {
//是否有同名目录
if (den->next.find(name) != den->next.end()) {}
//是否存在目标目录
else if (sou->next.find(name) == sou->next.end()) {}
else {
dir *tmp = cpDir(sou->next[name]);//递归复制目录
tmp->pre = den;
den->next[name] = tmp;//放入到目的目录下
}
}
else if (option == "-cf") {
//是否有同名文件
if (den->files.find(name) != den->files.end()){}
//是否存在目标文件
else if (sou->files.find(name) == sou->files.end()){}
//是否为当前用户所拥有
else if (curdir->files[name]->owner.name != curuser.name){}
else
{
den->files[name] = sou->files[name];//放入到目的目录下
sou->files.erase(name);
}
}
else if (option == "-cd") {
//是否有同名目录
if (den->next.find(name) != den->next.end()){}
//是否存在目标目录
else if (sou->next.find(name) == sou->next.end()){}
else
{
den->next[name] = sou->next[name];//放入到目的目录下
sou->next.erase(name);
}
}
}
- 代码解释：跟删除类似，在复制目录时需要用到递归复制，如cpDir所示。
//递归复制目录
dir* cpDir(dir *tmp) {
dir *goal = new dir(*tmp);
//清除原来的内容
goal->next.clear();
goal->files.clear();
//把文件重建
for (auto it = tmp->files.begin(); it != tmp->files.end(); it++) {
file *f = new file(*(it->second));
goal->files[it->first] = f;
}
//重建目录
for (auto it = tmp->next.begin(); it != tmp->next.end(); it++) {
dir *d = cpDir(it->second);
d->pre = goal;
goal->next[it->first] = d;
}
return goal;
}
5.1.8 rename
-
说明：更改指定文件或目录的名字。
-
用法：rename -d|-f oldname
newname，oldname代表需要重命名的目录或文件，newname代表重命名后的名字。oldname可以使用绝对路径或相对路径。 -
选项：
-
-d：重命名目录；
-
-f：重命名文件。
-
-
流程图：
- 关键代码：
void rename(string tmp) {
//解析路径与选项
if (!judgeName(newname)) {}//新名字中是否有非法字符
if (option == "-d") {
if (curdir->next.find(old) == curdir->next.end()) {}//是否存在目标目录
else if (curdir->next.find(newname) != curdir->next.end()) {}//是否存在与新名字重名的目录
else {
//重命名
}
}
else if (option == "-f") {
if (curdir->files.find(old) == curdir->files.end()) {}//是否存在对应文件
else if (curdir->files.find(newname) != curdir->files.end()) {}//是否存在与新名字重名的文件
else if (curdir->files[old]->owner.name != curuser.name) {}//需重命名文件是否为当前用户拥有
else {
//重命名
}
}
}
5.1.9 su
- 说明：更改当前用户（调用login函数，详见下文）。
5.1.10 cls
- 说明：清屏。
5.1.11 exit
- 说明：退出文件系统（主要调用save函数，详见下文）。
5.1.12 help
- 说明：显示帮助文档。
5.2 其他系统操作
5.2.1 登录
-
流程图：
-
关键代码：
void login() {
bool flag = 1;
map<string, string> users;//所有注册用户
//打印欢迎语
ifstream in("user.dat");
string tname, tpass;
while (in >> tname >> tpass) {}//读入所有注册用户的信息
//输入用户名
while (flag) {
if (users.find(tname) == users.end()) {}//注册用户中是否有输入用户
else {
if (users[tname] == tpass) {
//核对用户名与密码是否匹配
}
else {
printf("password is incorrect!\n");
}
}
}
if (!flag) {
printf("This user is not exist.\nDo you want to creat a new user?(y/n):");
char choice;
cin >> choice;
if (choice == 'Y' || choice == 'y') {
//注册
}
else {
login();
}
}
//重新存回
ofstream out("user.dat");
for (auto it = users.begin(); it != users.end(); it++) {}
return;
}
5.2.2 保存系统状态
为提高用户体验，每次用户使用exit命令退出系统时，系统会保存退出前的系统状态。
保存系统状态的主要实现思想是：通过递归遍历系统的目录结构，以字符串向量的形式存储包括目录名、文件名、文件内容在内的所有信息。最后将字符串向量存入record.dat文件。字符串向量内部的结构类似xml文件。具体流程图与代码如下：
-
流程图：
- exit函数：
- save函数：
- 具体代码：
//退出系统
void exit() {
records.clear();
save(root);
ofstream outr("record.dat");
for (int i = 0; i < records.size(); i++) {
outr << records[i] << endl;
}
}
//存储目前情况
void save(dir *tmp) {
records.push_back(tmp->name);//目录名
records.push_back(to_string(tmp->files.size()));//文件数
for (auto it = tmp->files.begin(); it != tmp->files.end(); it++) {
records.push_back(it->second->name);//文件名
for (int i = 0; i < it->second->content.size(); i++) {
records.push_back( it->second->content[i]);//文件内容
}
records.push_back("content");//文件内容结束符
records.push_back(it->second->owner.name);//所有者用户名
records.push_back(it->second->owner.password);//所有者密码
}
records.push_back(to_string(tmp->next.size()));//子目录数
for (auto it = tmp->next.begin(); it != tmp->next.end(); it++) {
records.push_back(it->second->name);//子目录名
save(it->second);//递归子目录
}
}
为方便调试，record.dat文件以明文存储，文件内容如下：
5.2.3 恢复系统状态
为提高用户体验，每次打开系统时，系统会根据record.dat文件存储的系统状态恢复上一次退出前的系统状态。
恢复系统状态的实现思想与保存系统状态（5.2.2）类似，根据record.dat的数据重建目录结构。
具体流程图与代码如下：
-
流程图：
- init函数：
- creat函数：
- 具体代码：
void init() {
ifstream inr("record.dat");
string tmp;
if (!inr) {
initDir();
}
while (inr >> tmp)
records.push_back(tmp);
if (records.size() >= 1) {
root = curdir = creat(NULL);
}
else {
initDir();
}
}
//还原上一次系统关闭状态
dir* creat(dir *last) {
dir *tmp = new dir();//新建目录
tmp->name=records[reco++];//读取目录名
tmp->pre = last;//设置父指针
string t;
t= records[reco++];//读取文件数
for (int i = 0; i < stoi(t); i++) {
file *tfile = new file();//新建文件
tfile->name= records[reco++];//读取文件名
while (1) {
string ts;
ts= records[reco++];//读取文件内容
if (ts != "content") {//不是关键字就持续读入内容
tfile->content.push_back(ts);
}
else {
break;
}
}
user a;
a.name = records[reco++];//读取用户名
a.password= records[reco++];//密码
tfile->owner = a;
tmp->files[tfile->name] = tfile;//将新建的文件加入目录
}
t= records[reco++];//子目录数
for (int i = 0; i < stoi(t); i++) {
string name;
name= records[reco++];//子目录名
tmp->next[name] = creat(tmp);//递归新建子目录
}
return tmp;
}
5.2.4 路径解析
为提高用户体验，系统引入了路径解析的机制，可以让包括cd、ls、gedit在内的多种操作同时支持相对路径与绝对路径。绝对路径与相对路径的表示方式与Ubuntu系统相同。
路径解析输入的参数为绝对路径或相对路径，返回的结果是目标目录的指针。具体流程图与代码如下：
- 流程图：
- 关键代码：
dir* pathTrans(string path) {
string tmp = path;
//绝对路径
if (path[0] == '~' || path[0] == '/') {
dir *cur = root;
if (path[0] == '/')path = "~" + path;
vector<string> tmp = split(path);//按照/分割路径
for (int i = 1; i < tmp.size(); i++) {
if (cur->next.find(tmp[i]) == cur->next.end()) {
return NULL;
}
cur = cur->next[tmp[i]];
}
return cur;
}
//相对路径
else {
dir *cur = curdir;
vector<string> tmp = split(path);//按照/分割路径
for (int i = 0; i < tmp.size(); i++) {
if (tmp[i] == ".") {
}
else if (tmp[i] == "..") {
if (cur == root) {//不能再往上走了
return NULL;
}
else {
cur = cur->pre;
}
}
else if (cur->next.find(tmp[i]) == cur->next.end()) {
return NULL;
}
else if (cur->next.find(tmp[i]) != cur->next.end()) {
cur = cur->next[tmp[i]];
}
}
return cur;
}
return NULL;
}
6.实验演示
6.1登录
- 欢迎界面
- 当用户名与密码不匹配，系统会让用户反复输入密码，直到正确为止：
- 当输入用户名与不在已注册用户中，若用户同意创建用户，系统会根据先前输入的用户名与密码创建用户：
6.2帮助文档与使用说明
- 用户输入help时显示所有命令的帮助文档：
- 输入某个命令+？时显示该条命令的使用说明：
6.3 cd命令
说明：红框为目前根节点下拥有的目录；黄框展示使用相对路径、绝对路径更改目录，以及回到上一级目录的情况；蓝框展示遇到错误路径的情况。
6.4 ls命令
说明：黄框展示有参及无参ls命令的使用情况；蓝框展示遇到错误路径的情况。
6.5 mkdir命令
说明：红框展示目前根节点下拥有的目录；黄框展示新建一个paly目录的情况；蓝框展示遇到重名目录的情况；第三张图展示新建目录名中存在非法字符的情况。
6.6 touch命令
说明：红框展示~/study/college目录下拥有的文件；黄框展示新建一个test2.txt文件的情况；蓝框展示遇到重名文件的情况；展示新建文件名中存在非法字符的情况。
6.7 gedit命令
说明：红框展示~/study/college目录下拥有的文件；黄框展示读写test2.txt文件的情况，截图下半部为gedit打开临时文件；蓝框展示遇到缺少文件名及文件非当前用户拥有的情况。
6.8 rm命令
说明：红框展示根目录下拥有的文件与目录；黄框展示删除work目录的情况；绿框展示删除test.txt文件的情况；蓝框展示遇到不存在目录或文件的情况。
6.9 cp命令
说明：红框展示~/study目录与~/work目录下拥有的文件与目录；黄框展示复制college目录到~/work目录的情况。
说明：红框展示~/work与~/study/college目录下拥有的文件与目录；黄框展示复制test2.txt文件到~/work目录的情况。
说明：红框展示~/work与~/study/college目录下拥有的文件与目录；黄框展示剪贴test2.txt文件到~/work目录的情况。
说明：红框展示~/work与~/study目录下拥有的文件与目录；黄框展示剪贴college目录到~/work目录的情况。
6.10 用户权限
系统实现的多用户权限可以概括为：文件创建者为文件所有者，非文件所有者可以知道该文件的存在，但不能对该文件执行读写、复制、删除等操作。下图展示了非文件所有者不能对文件执行gedit、rm、rename、cp命令的情况：
实现代码
代码详见github，欢迎star！