操作系统实验（九）：设计文件系统

目录

实验九 设计文件系统

一  实验目的

二  实验内容 1

三  实验过程及结果 2

四  实验总结 9

一  实验目的

(1) 掌握文件系统的工作原理。

(2) 理解文件系统的主要数据结构。

(3) 加深理解文件系统的内部功能和实现方法。

二  实验内容

2.1任务一

编写程序，设计并实现一个单级单用户的文件系统。可以在内存中开辟一

片空间模拟磁盘作为文件系统。文件以块为基本单位，一个块大小为 1024

个字节，共 1024 块。文件系统支持的最大文件数为 1024。

(1) 要求包含以下数据结构：

① 文件分配表 FAT，实现文件的链接分配。表条目指示文件的下一块的

块号。

② 文件控制块 FCB，包含文件名、文件大小、文件首块的块号等属性。

FCB 存储在根目录中。

③ 整个系统的打开文件表。显示当前哪些文件已被打开以及被多少个

进程打开。

(2) 要求提供以下操作：

① 文件系统的初始化：包括对 FAT、根目录和打开文件表的初始化。

② 文件创建/删除命令：create/delete。创建文件时指定如文件名、文件

大小等信息，并为其分配存储空间；删除文件时从根目录找到相应项，

回收其存储空间和 FCB。

③ 文件打开/关闭命令：open/close。打开文件先检查文件是否已打开，

若已打开则计数加 1，否则从根目录中找到相应项，加入打开文件表

中；关闭文件操作类似。

④ 显示目录内容命令：

ls。文件列示时要列出文件名和文件大小等信息。⑤ 进行文件操作时需考虑边界情况：如创建和打开文件时，需要检索是

否存在同名文件；删除文件时，如果文件正在被打开，则不被允许。

(3) 自行编写测试样例，验证文件系统的可靠性。

三  实验过程及结果

3.1编写 C 程序，设计并实现一个单级单用户的文件系统

(1) 要求包含以下数据结构：

①文件分配表 FAT，实现文件的链接分配。表条目指示文件的下一块的

块号。

② 文件控制块 FCB，包含文件名、文件大小、文件首块的块号等属性。

FCB 存储在根目录中。

③ 整个系统的打开文件表。显示当前哪些文件已被打开以及被多少个

进程打开。

(2) 要求提供以下操作：

① 文件系统的初始化：包括对 FAT、根目录和打开文件表的初始化。

② 文件创建/删除命令：create/delete。创建文件时指定如文件名、文件

大小等信息，并为其分配存储空间；删除文件时从根目录找到相应项，

回收其存储空间和 FCB。

文件创建

文件删除

③ 文件打开/关闭命令：open/close。打开文件先检查文件是否已打开，

若已打开则计数加 1，否则从根目录中找到相应项，加入打开文件表

中；关闭文件操作类似。

文件打开

文件关闭

④ 显示目录内容命令：

ls。文件列示时要列出文件名和文件大小等信息。⑤ 进行文件操作时需考虑边界情况：如创建和打开文件时，需要检索是

否存在同名文件；删除文件时，如果文件正在被打开，则不被允许。

1. 功能测试

文件的创建与删除

打开文件与关闭

边界测试

①同名文件

②删除打开的文件

退出文件系统

附录展示完整代码.

四  实验总结

通过本次实验，成功设计并实现了一个单级单用户的文件系统，主要包括文件分配表（FAT）、文件控制块（FCB）和打开文件表等数据结构的定义。文件系统的初始化、文件的创建与删除、文件的打开与关闭、目录内容的显示等操作均得以实现。通过编写测试样例，能够测试该文件系统的可靠性，充分考虑并且处理了边界情况，如同名文件的处理、删除打开的文件等。通过这个过程深入地理解了文件系统的内部结构和实现方法，包括文件的链接分配、根目录的管理以及打开文件的处理。

本次实验加深了对文件系统的工作原理，还加深了对操作系统内部功能和实现方法的认识。利用C语言的数据结构和文件操作相关的知识，提高了编程和问题解决的能力。通过不断调试和优化，成功地完成了一个可靠的文件系统，并通过测试验证了其稳定性和正确性。

附录

附录

算法详细代码

#include  #include  #include  #define BLOCK_SIZE 1024 #define MAX_BLOCKS 1024 #define MAX_FILES 1024 #define MAX_FILENAME_LEN 50 // 文件分配表 FAT typedef struct {     int nextBlock; } FATEntry; // 文件控制块 FCB typedef struct {     char filename[MAX_FILENAME_LEN];     int size;     int firstBlock; } FCBEntry; // 打开文件表 typedef struct {     char filename[MAX_FILENAME_LEN];     int openCount; } OpenFileEntry; // 文件系统 typedef struct {     FATEntry fat[MAX_BLOCKS];     FCBEntry rootDir[MAX_FILES];     OpenFileEntry openFiles[MAX_FILES]; } FileSystem; FileSystem fs; // 初始化文件系统 void initFileSystem() {     for (int i = 0; i < MAX_BLOCKS; i++) {         fs.fat[i].nextBlock = -1;     }     for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {         strcpy(fs.rootDir[i].filename, "");         fs.rootDir[i].size = 0;         fs.rootDir[i].firstBlock = -1;         strcpy(fs.openFiles[i].filename, "");         fs.openFiles[i].openCount = 0;     } } // 创建文件 void createFile(char* filename, int size) {     // 检查是否存在同名文件     for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {         if (strcmp(fs.rootDir[i].filename, filename) == 0) {             printf("已存在同名文件。\n");             return;         }     }     // 寻找空闲的文件控制块     int fcbIndex = -1;     for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {         if (strlen(fs.rootDir[i].filename) == 0) {             fcbIndex = i;             break;         }     }     if (fcbIndex == -1) {         printf("文件系统已满，无法创建更多文件。\n");         return;     }     // 寻找空闲的块     int blockIndex = -1;     for (int i = 0; i < MAX_BLOCKS; i++) {         if (fs.fat[i].nextBlock == -1) {             blockIndex = i;             break;         }     }     if (blockIndex == -1) {         printf("文件系统已满，无法分配更多块。\n");         return;     }     // 设置文件控制块和文件分配表     strcpy(fs.rootDir[fcbIndex].filename, filename);     fs.rootDir[fcbIndex].size = size;     fs.rootDir[fcbIndex].firstBlock = blockIndex;     // 计算需要分配的块数     int numBlocks = (size + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE;     // 分配文件的块     for (int i = 0; i < numBlocks; i++) {         int nextBlockIndex = -1;         for (int j = blockIndex + 1; j < MAX_BLOCKS; j++) {             if (fs.fat[j].nextBlock == -1) {                 nextBlockIndex = j;                 break;             }         }         if (nextBlockIndex == -1) {             printf("文件系统已满，无法分配更多块。\n");             return;         }         fs.fat[blockIndex].nextBlock = nextBlockIndex;         blockIndex = nextBlockIndex;     }     fs.fat[blockIndex].nextBlock = -1; // 文件结束标志     printf("文件创建成功。\n"); } // 删除文件 void deleteFile(char* filename) {     // 查找文件     int fcbIndex = -1;     for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {         if (strcmp(fs.rootDir[i].filename, filename) == 0) {             fcbIndex = i;             break;         }     }     if (fcbIndex == -1) {         printf("未找到文件。\n");         return;     }     // 检查文件是否正在被打开     for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {         if (strcmp(fs.openFiles[i].filename, filename) == 0) {             printf("文件正在被打开，无法删除。\n");             return;         }     }     // 回收文件占用的块     int currentBlock = fs.rootDir[fcbIndex].firstBlock;     int nextBlock;     while (currentBlock != -1) {         nextBlock = fs.fat[currentBlock].nextBlock;         fs.fat[currentBlock].nextBlock = -1;         currentBlock = nextBlock;     }     // 清空文件控制块     strcpy(fs.rootDir[fcbIndex].filename, "");     fs.rootDir[fcbIndex].size = 0;     fs.rootDir[fcbIndex].firstBlock = -1;     printf("文件删除成功。\n"); } // 打开文件 void openFile(char* filename) {     // 查找文件     int fcbIndex = -1;     for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {         if (strcmp(fs.rootDir[i].filename, filename) == 0) {             fcbIndex = i;             break;         }     }     if (fcbIndex == -1) {         printf("未找到文件。\n");         return;     }     // 检查文件是否已经打开     for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {         if (strcmp(fs.openFiles[i].filename, filename) == 0) {             fs.openFiles[i].openCount++;             printf("文件打开成功，打开次数：%d\n", fs.openFiles[i].openCount);             return;         }     }     // 寻找空闲的打开文件表项     int openFileIndex = -1;     for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {         if (strlen(fs.openFiles[i].filename) == 0) {             openFileIndex = i;             break;         }     }     if (openFileIndex == -1) {         printf("打开的文件过多，无法再打开更多文件。\n");         return;     }     // 添加文件到打开文件表     strcpy(fs.openFiles[openFileIndex].filename, filename);     fs.openFiles[openFileIndex].openCount = 1;     printf("文件打开成功，打开次数：1\n"); } // 关闭文件 void closeFile(char* filename) {     // 查找文件在打开文件表中的位置     int openFileIndex = -1;     for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {         if (strcmp(fs.openFiles[i].filename, filename) == 0) {             openFileIndex = i;             break;         }     }     if (openFileIndex == -1) {         printf("文件未打开。\n");         return;     }     // 减少文件的打开计数     fs.openFiles[openFileIndex].openCount--;     // 如果计数为 0，则从打开文件表中移除     if (fs.openFiles[openFileIndex].openCount == 0) {         strcpy(fs.openFiles[openFileIndex].filename, "");     }     printf("文件关闭成功。\n"); } // 显示目录内容 void listDirectory() {     printf("目录内容:\n");     for (int i = 0; i < MAX_FILES; i++) {         if (strlen(fs.rootDir[i].filename) > 0) {             printf("文件: %s, 大小: %d, 文件首块: %d\n",                    fs.rootDir[i].filename, fs.rootDir[i].size, fs.rootDir[i].firstBlock);         }     } } int main() {     char command[100];  // 为了容纳整个命令，可以根据实际情况调整大小     char filename[MAX_FILENAME_LEN];     int size;     initFileSystem();     while (1) {         printf("Laix7&filesystem >");         scanf(" %[^\n]", command);         // 使用 sscanf 解析命令         char action[10];         if (sscanf(command, "%s", action) == 1) {             if (strcmp(action, "create") == 0) {                 if (sscanf(command, "%*s %s %d", filename, &size) == 2) {                     createFile(filename, size);                 } else {                     printf("错误命令格式！请重新输入\n");                 }             } else if (strcmp(action, "delete") == 0) {                 if (sscanf(command, "%*s %s", filename) == 1) {                     deleteFile(filename);                 } else {                     printf("错误命令格式！请重新输入\n");                 }             } else if (strcmp(action, "open") == 0) {                 if (sscanf(command, "%*s %s", filename) == 1) {                     openFile(filename);                 } else {                     printf("错误命令格式！请重新输入\n");                 }             } else if (strcmp(action, "close") == 0) {                 if (sscanf(command, "%*s %s", filename) == 1) {                     closeFile(filename);                 } else {                     printf("错误命令格式！请重新输入\n");                 }             } else if (strcmp(action, "ls") == 0) {                 listDirectory();             } else if (strcmp(action, "exit") == 0) {                 printf("退出文件系统...\n");                 break;             } else {                 printf("错误命令格式！请重新输入\n");             }         } else {             printf("错误命令格式！请重新输入\n");         }     }     return 0; }