操作系统课程设计报告文件系统

1、东莞理工学院操作系统课程设计报告设计时间： 2011-1-5至2011-1-7 专业年级：08计科4班 姓名： 一.设计目的：通过操作系统内其中一个子系统的设计和实现，掌握linux文件系统的基本原理、结构和实现方法，掌握linux文件系统中文件的建立、打开、读/写、执行、属性等系统调用的使用，学会设计简单的文件系统并实现一组操作，以及学习文件系统的系统调用命令，提高对文件系统实现功能的理解和掌握。同时，掌握操作系统设计的方法与技巧，增强系统软件设计的实际工作能力。二.设计内容：为linux 设计一个简单的二级文件系统。本文件系统采用类似dos系统的文件管理方式，每次调用该文件系统时，首先申请

2、一定的内存空间，然后对该内存空间进行分配。将申请到的空间划分为目录区，文件区；采用位示图进行空间管理，盘块的分配使用显示链接（fat表）的方式。每次调用该文件系统时自动为其分配空间，并将上次操作的结果从硬盘上调入内存；当结束调用时则将操作的结果重新存入硬盘，以便下次调用。（每次使用都会自动搜索文件系统，以此确定是否是第一次使用；若是则格式化生成文件系统，否则读取已存在的文件系统。）三设计过程1、 实现功能该系统具备下列功能：login 用户登录 logout 注销mkdir/md 创建目录 rmdir/rd 删除目录cd/cd . 修改目录creat 创建文件open 打开文件dir 显示当前

3、目录和文件write 读文件 delete 删除文件close 关闭文件2、 添加功能（1） 制作了一个“操作命令符”列表框，说明接下来如何操作，这样有利于更好地阅读、操作和运行程序，使不懂得程序代码的人也可以运行该程序，更好地理解该程序实现的功能。（2） 在命令解释层函数cmdexp()里加了一些选择和操作功能，增加程序实现的功能，如原来程序只有显示当前目录和文件、创建目录和修改目录的功能，把它拓展到系统所要求的全部功能，并在原有的程序的基础上进行相应的修改，使程序更加完善。3、 设计思路（1） 要将文件存储在磁盘上，必须为之分配相应的存储空间，并对文件存储空间进行管理，为了简化对文件的访问

4、和共享，还应设置相应的用户文件描述表及文件表。 文件卷的组织unix中，把每个磁盘（带）看作是一个文件卷，每个文件卷上可存放一个具有独立目录结构的文件系统。一个文件卷包含许多物理块，并按块号排列如下图：0# 1# 2# 3# k# k+1# n# 其中，0#块用于系统引导或空闲，1#为超级块(superblock)，存放文件卷的资源管理信息，如整个文件卷的盘块数、磁盘索引结点的盘块数、空闲盘块号栈及指针等。2#k#存放磁盘索引结点。每个索引结点64b，第k+1#n#存放文件数据。 空闲盘块的组织 unix采用成组链接法组织空闲盘块。它将若干个空闲盘块划归一个组，将每组中所有盘块号存放在其前一组

5、的第一个空闲盘块中，而第一组中所有空闲盘块号放入超级块的空闲盘块号栈中。 例： 超级块表 10910610310095211208205202 310307304301空闲盘块的分配与回收内核要从文件系统中分配一盘块时，先检查超级块空闲盘块号栈是否已上锁。是则调用sleep睡眠，否则将超级块中空闲盘块栈栈顶盘块号分配出去。回收时，若空闲盘块号栈未满，直接将回收盘块编号记入空闲盘块号栈中。若回收时栈已满，须先将栈中的所有空闲盘块号复制到新回收的盘块中，再将新回收盘块的编号作为新栈的栈底块号进栈。（2） unix中，为了加速对文件目录的查找，将文件名和文件说明分开，由文件说明形成一个称为索引结点的

6、数据结构，而相应的文件目录项则只由文件符号名和指向索引结点的指针构成。对目录的管理应包括的功能有：对索引结点的管理：每个文件都有一唯一的磁盘索引结点(di_node)。文件被打开后，还有一个内存索引结点(i_node)。创建一新文件时，就为之建立一个磁盘索引结点，以将文件的有关信息记入其中，并将用户提供的文件名和磁盘索引结点号一并组成一个新目录项，记入其父目录文件中。文件被撤消时，系统要回收该文件的磁盘索引结点，从其父目录中删除该目录项。随着文件的打开与关闭，系统还要为之分配和回收内存索引结点。磁盘索引结点中，包含有关文件的下述一系列信息：文件模式di_mode、文件所有者用户标识符di_ui

7、d、同组用户标识符di_gid、文件长度di_size、文件的联接计数di_nlink、文件的物理地址di_addr、文件的访问时间di_atime、文件的修改时间di_mtime和文件的建立时间di_citime。 内存索引结点：文件被打开后，系统为它在内存索引结点表区中建一内存索引结点，以方便用户和系统对文件的访问。磁盘索引结点的分配与回收分配过程ialloc：当内核创建一新文件时，要为之分配一空闲磁盘i结点。如分配成功，便再分配一内存i结点。其过程如下：检查超级块上锁否。由于超级块是临界资源，诸进程必须互斥地访问它，故在进入ialloc后，要先检查它是否已上锁，若是则睡眠等待；检查i结点

8、栈空否。若i结点栈中已无空闲结点编号，则应从盘中再调入一批i结点号进栈。若盘中已无空闲i结点，则出错处理，返回；从空闲i结点编号栈中分配一i结点，并对它初始化、填写有关文件的属性；分配内存i结点；将磁盘i结点总数-1，置超级块修改标志，返回。 回收过程ifree：当删除文件时，应回收其所占用的盘块及相应的磁盘i结点。具体有：检查超级块上锁否。若是，直接返回，即不把本次回收的i结点号记入空闲i结点编号栈中；检查i结点编号栈满否。若已满，无法再装入新回收的i结点号，立即返回，若未满，便将回收的i结点编号进栈，并使当前空闲结点数+1；置超级块修改标志，返回。 内存索引结点的分配与回收 分配过程ige

9、t：虽然iget用在打开文件时为之分配i结点，但由于允许文件被共享，因此，如果一文件已被其他用户打开并有了内存i结点，则此时只需将i结点中的引用计数+1。如果文件尚未被任何用户（进程）打开，则由iget过程为该文件分配一内存i结点，并调用bread过程将其磁盘i结点的内容拷贝到内存i结点中并进行初始化。 回收过程iput：进程要关闭某文件时，须调用iput过程，先对该文件内存i结点中的引用计数-1。若结果为0，便回收该内存i结点，再对该文件的磁盘i结点中的连接计数减1，若其结果也为0，便删除此文件，并回收分配给该文件的盘块和磁盘i结点。（3）主要文件操作的处理过程打开文件open：检索目录，内

10、核调用namei从根目录或从当前目录，沿目录树查找指定的索引结点。若未找到或该文件不允许存取，则出错处理返回null，否则转入下一步；分配内存索引结点，如果该文件已被其它用户打开，只需对上一步中所找到的i结点引用计数+1，否则应为被打开文件分配一内存i结点，并调用磁盘读过程将磁盘i结点的内容拷贝到内存i结点中，并设置i.count=1；分配文件表项，为已打开的文件分配一文件表项，使表项中的f.inode 指向内存索引结点；分配用户文件描述表项。 创建文件creat：核心调用namei，从根目录或当前目录开始，逐级向下查找指定的索引结点。此时有以下二种情况：重写文件，namei找到了指定i结点，

11、调用free释放原有文件的磁盘块。此时内核忽略用户指定的许可权方式和所有者，而保持原有文件的存取权限方式和文件主。最后打开。新建，namei未找到。调用ialloc，为新创建的文件分配一磁盘索引结点，并将新文件名及所分配到的i结点编号，写入其父目录中，建立一新目录项。利用与open相同的方式，把新文件打开。 关闭文件close：根据用户文件描述符fd，从相应的用户文件描述符表项中，获得指向文件表项的指针fp，再对该文件表项中的f.count-1。4、 算法和流程图（1）部分主要的算法：主函数：#include #include filsys.hstruct hinode hinodenhino

12、;/* 查找内存i节点的hash表 */struct filsys filsys;/* 超级块数据结构 */struct inode * cur_path_inode; /* 文件系统(内存i节点)数据结构 */struct user userusernum; /* 用户打开表数据结构 */struct file sys_ofilesysopenfile; /* 系统打开表数据结构 */struct direct cur_directnofile;/* 目录数据结构路径 */unsigned short cur_dir_id;/* 当前目录指针 */char cur_path_namedirs

13、iz;file *fd; /* 本系统的所有文件指针 */void main()char reg_or_log; / 注册/登录变量名char buf50,buf250,buf350;int i;cur_dir_id = 0;printf( nttwelcome to this system!n );printf( initializing.n );fd = fopen( filesystem.dat, r+b );if( fd != null )/* 文件已经存在，不用格式化 */printf( installing.n );init();/* 读取磁盘数据 */else/* 文件已经存在，

14、要进行格式化 */if( format() = 0 )/* 格式化 */return;/* 格式化不成功 */printf( installing.n );init();/* 读取磁盘数据 */again:printf( ndo you want to register or login? (r/l) );while( 1 )reg_or_log = getch();/* 注册新用户 */if( reg_or_log = r ) | ( reg_or_log = r )printf( %cn, reg_or_log );reg();goto again;/* 登陆已有用户 */else if(

15、 reg_or_log = l ) | ( reg_or_log = l )printf( %cn, reg_or_log );if( login() = 0) /* 登陆不成功 */goto again;break;strcpy( cur_directcur_dir_id.d_name, / );cur_directcur_dir_id.d_ino = rootdir;strcpy( cur_path_name, / );printf(n t操作命令符n); for (i=0; i=35; i+) printf( *); printf(n * );printf( 1-dir/l/ls 显示当

16、前目录和文件 ); printf(2-cd .退回到上一级目录 ); printf(*n);printf(n * ); printf( 3-cd 文件名 显示文件名目录 );printf(4-mkdir/md 文件名 创建目录 );printf(*n);printf(n * );printf( 5-rmdir/rd 文件名 删除目录 );printf(6-mkfile/mf 文件名 创建文件 );printf(*n);printf(n * );printf( 7-open 文件名 打开文件 );printf(8-write 文件名 写文件 );printf(*n);printf(n * );p

17、rintf( 9-read 文件名 读文件 );printf( 10-close 文件名 关闭文件 );printf(*n);printf(n * );printf( 11-delete 文件名 删除文件 ); printf( 12-logout 注销 ); printf(*n); for (i=0; i=35; i+) printf( *);printf(n);while(1)if( cmdexp() = 1 )break;halt();命令解释层函数：#include #include #include filsys.hchar input_buf20;/* 命令行输入缓冲区 */stat

18、ic char str20;int over;/* 命令行结束标记 */int fd1;int i,j;/* 命令解释层函数 */int cmdexp()over = 0;printf(%slocalhost%s$ , useruser_id.u_name, cur_path_name);getcmd();/* 显示当前目录 */if( strcmp( input_buf, dir ) = 0 ) | ( strcmp( input_buf, l ) = 0 ) | ( strcmp( input_buf, ls ) = 0 )_dir();clearbuf();return 0;/* 改变当

19、前目录 */if( strcmp( input_buf, cd ) = 0 )getcmd(); /* 取得命令 */chdir ( input_buf ); /改变当前目录用函数clearbuf();return 0;/* 创建目录(建立子目录) */if( strcmp( input_buf, mkdir ) = 0 ) |( strcmp( input_buf, md ) = 0 )if( over )printf( 请在mkdir后输入要创建的目录名n );clearbuf();return 0;getcmd();if( input_buf0 = 0 )printf( 请在mkdir后

20、输入要创建的目录名n );clearbuf();return 0;mkdir( input_buf );while(!over)getcmd();if( input_buf0 != 0 )mkdir( input_buf );clearbuf();return 0;if( strcmp( input_buf, rmdir ) = 0 ) | ( strcmp( input_buf, rd ) = 0 )if( over )printf( 请在rmdir后输入要删除的目录名 );clearbuf();return 0;getcmd();if( input_buf0 = 0 )printf( 请在

21、rmdir后输入要删除的目录名n );clearbuf();return 0;rmdir( input_buf );while( !over )getcmd();if( input_buf0 != 0 )rmdir( input_buf );clearbuf();return 0;if( strcmp( input_buf, mkfile ) = 0 | ( strcmp( input_buf, mf ) = 0 )if( over )printf( 请在mkfile后输入要创建的文件名n );clearbuf();return 0;getcmd();if( input_buf0 = 0 )p

22、rintf( 请在mkfile后输入要创建的文件名n );clearbuf();return 0;creat( input_buf,01777);while(!over)getcmd();if( input_buf0 != 0 )creat( input_buf,01777);clearbuf();return 0;if( strcmp( input_buf, open ) = 0 )if( over )printf( 请在open后输入要打开的文件名n );clearbuf();return 0;getcmd();if( input_buf0 = 0 )printf( 请在open后输入要打

23、开的文件名n );clearbuf();return 0;open( input_buf,0004);while(!over)getcmd();if( input_buf0 != 0 )open( input_buf,0004);clearbuf();return 0;if( strcmp( input_buf, write ) = 0 )if( over )printf( 请在write后输入要执行“写”操作的文件名n );clearbuf();return 0;getcmd();if( input_buf0 = 0 )printf( 请在write后输入要执行“写”操作的文件名n );cl

24、earbuf();return 0; fd1=creat( input_buf,01777);i=write(fd1,str,512);printf(请输入你要写的内容:);for(j=0;ji;i+)scanf(%c,&stri);if( stri = n )break;while(!over)getcmd();if( input_buf0 != 0 )fd1=creat( input_buf,01777);i=write(fd1,str,512);printf(请输入你要写的内容:);for(j=0;ji;i+)scanf(%c,&stri);if( stri = n )break;cle

25、arbuf();return 0;if( strcmp( input_buf, close ) = 0 )if( over )printf( 请在close后输入要关闭的文件名n );clearbuf();return 0;getcmd();if( input_buf0 = 0 )printf( 请在close后输入要关闭的文件名n );clearbuf();return 0; fd1=creat( input_buf,01777);close(fd1);while(!over)getcmd();if( input_buf0 != 0 )fd1=creat( input_buf,01777);

26、close(fd1);clearbuf();return 0;if( strcmp( input_buf, delete ) = 0 )if(over)printf( 请在delete后输入要删除的文件名n );clearbuf();return 0;getcmd();if( input_buf0 = 0 )printf( 请在delete后输入要删除的文件名n );clearbuf();return 0;_delete(input_buf);while(!over)getcmd();if( input_buf0 != 0 )_delete(input_buf);clearbuf();retu

27、rn 0;if( strcmp( input_buf, logout ) = 0 )clearbuf();return 1;/* 找不到该命令 */if( input_buf0 != 0 )printf( bash: %s command not foundn, input_buf );clearbuf();return 0;/* 取得命令 */getcmd()int i= 0;while( !over )input_bufi = getchar();if( input_bufi = )if( i = 0 )/* 命令行的开始是空格，应舍去 */i-;elseinput_bufi=0;brea

28、k;elseif( input_bufi = n )over = 1;input_bufi=0;break;i+;/* 清空缓冲区 */clearbuf()while( !over )if( getchar() =n )break;文件系统格式化函数：#include #include filsys.hint format() /文件系统格式化函数struct filsys aaa;struct inode * inode;struct user tempuserusernum;struct dinode dinode_buf;struct direct dir_bufblocksiz / d

29、irectsiz;unsigned int block_bufblocksiz / sizeof( int );char * buf;int i, j, k;fd = fopen( filesystem.dat, w+b );/* 建立文件 */buf = (char * )malloc( 1024*1024 );/* 申请1m空间 */if( buf = null )/* 申请不成功，返回 */printf( nthe system file cant be created!n );return 0;/* 申请成功，把其空间写入filesystem.dat，使filesystem.dat为1

30、m */fseek( fd, 0, seek_set );fwrite( buf, 1, 1024*1024, fd );free ( buf );dinode_buf.di_mode = diempty;/* 设置磁盘i节点缓冲区，diempty表示空闲 */fseek( fd, dinodestart, seek_set );for( i = 0; i i_mode = diempty;/* 第0块不用 */iput( inode );inode = iget( 1 );/* 第1盘块放用户名表 */inode-i_number = 1;inode-i_mode = direg; /普通文

31、件inode-i_size = sizeof( struct user ) * usernum;inode-i_addr0 = 1;/* 用户imacih是超级用户 */strcpy( tempuser0.u_name, imacih );strcpy( tempuser0.password, dgh123456 );tempuser0.u_default_mode = supermode;tempuser0.u_gid = 1;tempuser0.u_uid = 1;for( i = 1; i i_addr0, seek_set );fwrite( tempuser, 1, inode-i_

32、size, fd );iput( inode );inode = iget( 2 );/* 第2盘块用于存储根目录 */inode-i_number = 1;inode-i_mode = defaultmode | didir;inode-i_size = 2 * directsiz;inode-i_addr0 = 2;strcpy( dir_buf0.d_name, / );dir_buf0.d_ino = 2;strcpy( dir_buf1.d_name, / );dir_buf1.d_ino = 2;strcpy( dir_buf2.d_name, etc );dir_buf2.d_i

33、no = 3;fseek( fd, datastart + blocksiz * inode-i_addr0, seek_set );fwrite( dir_buf, 1, inode-i_size, fd );iput( inode );inode = iget( 2 );/* 2 etc dir id */inode-i_number = 1;inode-i_mode = defaultmode | didir;inode-i_size = 2 * directsiz;inode-i_addr0 = 2;/* 第3盘块用于根目录下的子目录 */strcpy( dir_buf0.d_name

34、, . );dir_buf0.d_ino = 1;strcpy( dir_buf1.d_name, . );dir_buf1.d_ino = 2;fseek( fd, datastart + blocksiz * inode-i_addr0, seek_set );fwrite( dir_buf, 1, 2 * directsiz, fd );iput( inode );/* 2. 初始化超级块 */filsys.s_ninode = dinodeblk * blocksiz / dinodesiz - 3;/* 空闲磁盘i节点数 */filsys.s_nfree = fileblk - 3;

35、/* 空闲文件块数 */* 初始化空闲磁盘i节点堆栈 */for( i = 0; i nicinod; i+ )filsys.s_inodei = 3 + i;/* 从第3个磁盘i块，前面3个已用 */filsys.s_pinode = 0;/* 当前空闲块指针 */filsys.s_rinode = nicinod + 3;/ 下一准备装入空闲盘块号栈的盘块号/* 把第1组空闲盘块放进空闲盘块堆栈 */for( i = 0; i nicfree; i+ )filsys.s_freei = 3 + nicfree - 1 - i;filsys.s_pfree = nicfree - 1;for

36、( i = 3 + nicfree * 2 - 1; i fileblk; i += nicfree )for( j = 0; j nicfree; j+ )/* 往缓冲区写与成组链接法组织空闲盘块有关的信息：下一组盘块空闲块号与块数 */block_bufj = i - j;block_bufnicfree = nicfree;/* 该项记录本组的空闲盘块数 */* 把缓冲区内容写到每组空闲盘块的最后一块中 */bwrite( i - nicfree, block_buf );/* 最后一组空闲盘块可能不足nicfree块，故需单独处理 */i = i - nicfree;for( j =

37、0; j fileblk - i + 1; j+ )block_bufj = fileblk - j;block_bufnicfree = fileblk - i + 1;/* 最末组的空闲盘块数 */bwrite( i, block_buf );/* 把超级块写入 block 1# */fseek( fd, blocksiz, seek_set );fwrite( &filsys, 1, sizeof( struct filsys ), fd );aaa=filsys;return 1;空闲盘块分配、回收函数：#include #include filsys.hstatic unsigned

38、 int block_bufblocksiz;/* 空闲盘块分配函数 */unsigned int balloc()unsigned int free_block, free_block_num;int i;if( filsys.s_nfree = 0 )/* 磁盘已满，无空闲盘块 */printf( disk has no spacen );return -1;free_block = filsys.s_freefilsys.s_pfree;if( filsys.s_pfree = 0 )/* 已经是栈底 */* 读取栈底盘块号所对应的盘块数据 */bread( filsys.s_freef

39、ilsys.s_pfree, block_buf );free_block_num = block_bufnicfree;/* 该空闲盘块组的盘块数 */* 把盘块组放到空闲盘块号栈上 */for( i = 0; i free_block_num; i+ )filsys.s_freei = block_bufi;filsys.s_pfree = free_block_num - 1;/* 指针指向栈顶 */elsefilsys.s_pfree-;/* 栈指针下移一位 */filsys.s_nfree-;/* 空闲盘块少1 */filsys.s_fmod = supdate;/* 置超级块修改标

40、志 */return free_block;/* 空闲盘块回收函数 */bfree( unsigned int block_num )int i;filsys.s_pfree+;if( filsys.s_pfree = nicfree )/* 空闲盘块堆栈已满 */block_bufnicfree = nicfree;/* 空闲盘块堆栈的盘块数nicfree记入缓冲区 */for( i = 0; i nicfree; i+ )block_bufi = filsys.s_freei; /* 把空闲盘块数据写入缓冲区 */filsys.s_pfree = 0;/* 栈指针指向栈底 */bwrite

41、( block_num, block_buf );/* 缓冲区内容写入新回收的盘块 */filsys.s_freefilsys.s_pfree = block_num;/* 回收盘块 */filsys.s_nfree+;/* 空闲盘块多1 */filsys.s_fmod = supdate;/* 置超级块修改标志 */节点分配和释放函数：#include #include filsys.hstatic struct dinode block_bufblocksiz / dinodesiz;struct inode * ialloc()struct filsys aaa;struct inode

42、 * temp_inode;unsigned int cur_di,temp;int i;if( filsys.s_ninode = 0 )/* 没有空闲磁盘i节点 */printf( no leisure dinode!n );return null;if( filsys.s_pinode = nicinod )/* 空闲磁盘i节点栈空 */cur_di = filsys.s_rinode;if( filsys.s_ninode = nicinod )/* 空闲磁盘i节点数可装满空闲i节点栈 */filsys.s_pinode = 0;/* 把下一组磁盘i节点读进空闲磁盘i节点栈 */whi

43、le( filsys.s_pinode nicinod )fseek (fd, dinodestart + cur_di * dinodesiz, seek_set);fread (block_buf, 1, blocksiz, fd);for( i = 0; ( i blocksiz / dinodesiz ) & ( filsys.s_pinode nicinod ); )if( block_bufi.di_mode = diempty )/* 该磁盘i节点空闲 */filsys.s_inodefilsys.s_pinode = cur_di;/* 把该i节点装入空闲栈 */filsys.

44、s_pinode+;/* 栈指针下移一位 */i+;cur_di+;filsys.s_pinode = 0;else/* 剩下的空闲磁盘i节点不能装满栈区 */* 计算出空闲栈指针装入i节点的第一个位置 */filsys.s_pinode = nicinod - filsys.s_ninode;while( filsys.s_pinode nicinod )fseek (fd, dinodestart + cur_di * dinodesiz, seek_set);fread (block_buf, 1, blocksiz, fd);for( i = 0; ( i blocksiz / din

45、odesiz ) & ( filsys.s_pinode i_number = 1;/temp_inode-i_uid = useruser_id.u_uid;/temp_inode-i_gid = useruser_id.u_gid;/temp_inode-i_size = 0;/temp_inode-i_addr0 = 0;/iput( temp_inode );/* 分配内存i节点 */temp_inode = iget( filsys.s_inodefilsys.s_pinode );/* 从磁盘i节点读取数据到内存i节点 */fseek( fd, dinodestart + filsys.s_inodefilsys.s_pinode * dinodesiz, seek_set );fwrite( &tem