操作系统模拟UNIX文件系统的设计及实现

1、操作系统课程设计模拟UNIX文件系统的设计及实现院 系：计算机学院二系 班 级： 计07 - 2班姓 名:2009年6月10日操作系统课程设计任务书、题目：银行家算法二、设计要求(1)吴勇克(组长)、刘胜光组成设计小组。(2)小组成员分工协作完成。要求每个成员有自己相对独立的模块，同时 要了解其他组员完成的内容。(3)查阅相关资料，自学具体课题中涉及到的新知识。(4)采用结构化、模块化程序设计方法设计，功能要完善，界面美观。(5)所设计的系统应有菜单、动画和音乐。(6)按要求写出课程设计报告，并于设计结束后 1周内提交。其主要内容 包括：封皮、课程设计任务书，指导教师评语与成绩、目录、概述、软

2、件总体设 计、详细设计、软件的调试、总结、谢启、附录：带中文注释的程序清单、参考 文献。报告一律用 A4纸打印，中文字体为宋体，西文字体用 Time New Roma 一律用小四号字，行距采用“固定值” 18磅，首行缩进2字符。总体设计应配 合软件总体模块结构图来说明软件应具有的功能。详细设计应用传统或N-S流程 图和屏幕抓图说明，调试的叙述应配合出错场景的抓图来说明出现了哪些错误， 如何解决的。三、课程设计工作量由于是设计小组团结协作完成设计任务，一般每人的程序量在200行有效程 序行左右，不得抄袭。四、课程设计工作计划2009年6月15日，指导教师讲课，学生根据题目准备资料；2009年6月

3、16日，设计小组进行总体方案设计和任务分工；2009年16月16日2009年6月23日，每人完成自己承担的程序模块并通 过独立编译；2009年6月23日2009年6月29日，将各模块集成为一个完整的系统， 并录入足够的数据进行调试运行；2009年6月30日，验收、撰写报告；2009年7月2日，验收或总结。指导教师签章教研室主任签章目录1 .概述 12 .总体设计 .23 .详细设计 34 .代码调试 95 .总结 116 .附录 127 .参考文献30【课设原理】UNIX采用树型目录结构，每个目录表称为一个目录文件。一个目录文件是由目录项组成的。每个目录项包含16B, 一个辅存磁盘块(512B

4、)包含32个目录项。在目录项中，第1、2字节为相应文件的外存i节点号, 是该文件的内部标识；后14B为文件名，是该文件的外部标识。所以，文件目 录项记录了文件内、外部标识的对照关系。根据文件名可以找到辅存 i节点号， 由此便得到该文件的所有者、存取权、文件数据的地址健在等信息。UNIX的存储介质以512B为单位划分为块，从0开始直到最大容量并顺序加以编号就成了 一个文件卷，也叫文件系统。UNIX中的文件系统磁盘存储区分配图如下：0#1#2#K#K+1#K+2#K+3# n引导区管理区i节点区文件存储区本次课程设计是要实现一个简单的模拟 UNIX文件系统。我们在磁盘中申请 一个二进制文件模拟UN

5、IX内存，依次初始化建立位示图区，I节点区，数据块 区。并给已打开的文件建立文件打开表。【课设内容】1 .设计任务多用户、多级目录结构文件系统的设计与实现。可以实现下列几条命令login logout dir creat用户登录 退出当前用户 列文件目录 创建文件delet删除文件及目录树open close read write mkdir打开文件 关闭文件 读文件 写文件 创建目录cd format quit改变文件目录 格式化文件系统 退出文件系统2 .文件系统应具有的基本功能(1)多用户 ：usr1,usr2,usr3, ,usr8 (1-8 个用户)(2)多级目录：可有多级子目录；(

6、3)具有login(用户登录)(4)系统初始化(建文件卷、提供登录模块)(5)文件的创建： create(6)文件的打开：open(7)文件的读：read(8)文件的写：write(9)文件关闭：close(10)删除文件或目录：delet(11)创建目录(建立子目录)：mkdir(12)改变当前目录：cd(13)列出文彳目录：dir(14)退出：logout,总体设计【算法思想】先建立512个块，每个块对应512个字节，在建立一个有512个元素的字符数组， 每个元素 对应相应的块号，不管是文件或是目录都有I节点，建立自己设定数目元素的I节点表，并依次把位图区，I节点表，数据块区每个元素映射到

7、一个二进制文件上。在每一次的操作中 如果相应元素有变动，则对应在文件中更新输出相应数据，以便下一次启动程序的时候可以快速导入上一次的数据。辅存【系统总体框架图】主存biitnap512午temp fO24B位图】节点数据区512B支个512块11 / 33【系统总体流程图】开始N在内存中申请内存空间 将磁盘上的文件读入内存执行 format(), 建立文件系统用户登录模块，输入用户名和密码，可以在程序中设定，不用保存在文件系统中执行init(),进行初始化 操作，进入用户子目录执行command。，对用户输入的命令进行解析和 执行。若数据被修改或新建立，则保存主存 i节点和数据块的内容到内存的

8、文件系统，并写回磁 盘，保存修改。若输入错误命令则显示出错信息三,详细设计【各模块功能说明】1 .format 模块功能：格式化文件系统，即初始化文件系统，相当于硬盘的格式化。将其中原 有的用户及用户下的文件系统全部还原初始状态，即没有任何用户和目录、文件, 也就是按设计的文件系统格式重建新的文件系统。2 . get_blknum 和 release_blk模块功能：get_blknum找到一个空闲数据块，并修改对应位图号元素为1。release_blk修改对应的位图元素，并把文件系统中对应的数据块清零。3 . init()模块功能： 读入文件系统4 .quit()模块功能：退出系统5 .cr

9、eat(濮块功能：创建文件，分配一空目录项，分配磁盘块。可用位示图。填写该空目录项。如文件长度(0) ，文件名，类型等。6 . open(濮块功能：打开文件，并判断文件类型和打开方式。 如果文件没有在文件打开表中就在文件打开表中建立该文件项。7 . close(濮块功能：关闭文件，删除该文件的用户打开文件表目。8 . write() 模块功能：写文件 ,需要先打开文件。并判断文件权限。写完后修改文件系统中的对应数据区。9 . read(鹿块功能： 读文件。 需先打开文件。 读入相应数据块的内容到缓冲区， 然后输出。10 .delet(欣块功能：如果参数是文件则删除文件， 如果是目录则删除该目录

10、下的所有文件和 目录。11 .mkdir()功能：建立新的目录 ,先在 I 节点表中找到一个未使用的，并初始化该I 节点，并在文件系统中对应更新输出。12 .cd()功能：将当前目录切换到当前目录的一个子目录下或当前目录的父目录。程序流程图各功能模块流程图用户登陆login()初始化函数init()改变当前目录cd()显示目录dir()创建目录mkdir()创建文件creat()打开文件open()读文件read()调用读块操作, 读出块内字符关闭文件close()写文件write()删除文件delet()四.代码调试1 .初始化和登陆文件系统第一次运行程序ISB C AEJev-C p pV

11、Il exeLogin:adnin 卜式尊与幢ord - CanfC open File usep-txt.This fll&svstem not exist, it uill heUill be to Formati £ Hes</stenk_ _ .HARMING：ALL MTA OH THIS FILESVSTEH UILL RE LOST* Proceed with Fovmat<V?VPilesystem created successFul«Please F irst login *Login：adninpass：Mc»rd - *

12、Do 9"it 'uant; to creat a new user?<Zn ： j;2 .建立新目录，显示当前目录下的文件和目录，并转到新目录下13 / 3329 / 333 .建立新的文件，打开，写，读。ftdmin/d mlcdlir badmin/a$cd badmin/ab Here ate ab.tvtadmln/a/bHopen ah. txtlease input open no de ： <1： read, 2 ： write 3 ： read. and (Ji-ite> ：3Open F ilje ab. txt by Pead and

13、write. £idininayblwrite ab .txtThe length of ah .txt ：0T nput the dataqCTHL*Z to end?： sdkFJhsdksd tiuf edfsd pzLadmin/aZbliad ah. txtIlie length of ah_txt ：22 .jd21Asdkf jhsdlf?(A ewfsdf sd admin/ahli-4 .clear清屏后，dir查看当前目录下文件信息S3 t1口£ V £ ppL 丁 程 1 .EXEadm In/a/h 】蝇如 at)-txt22 bytes1

14、 filets)Z2 hiites8 di?(s )1048554 biftes Fi*ee£paceadriinZa/fc J S_5.返回根目录下，并删除根目录下所有子目录和文件HJ CADcv-Cpp -.Ifll .extB fileCs> 0 dip<s>.adminZa/b $cd radmin/-9 $cd - Admin !$delet a admin lidit*0 bytes1048576 bytes FreeSpaceAdmin】$6.logout退出登录或quit退出程序五 . 总结开始第一天构思， 不断的筛选证明模拟 UNIX 下的内存方法

15、， 并在网络上查找相应的 UNIX 环境资料。 接下来几天开始实践动手， 从整体框架开始构思， 到 各个细节端口的实现。操作系统是计算机科学与技术专业中的一门重要基础课， 目的是让我们了解操作系统的基本概念， 理解计算机系统的资源如何组织， 操作系统如何有效地管理这些系统资源，用户如何通过操作系统与计算机系统打交道。通过课程设计，可以进一步理解在计算机系统上运行的其它各类操作系统， 并懂得在操作系统的支持下建立自己的应用系统。操作系统课程设计，对于训练我们掌握程序设计、熟悉上机操作和程序调试技术都有重要作用。 重点培养我们的思维能力、 创新能力和排错能力。通过课程设计， 进一步融会贯通教材内容

16、， 掌握程序各功能模块的工作原理，相互联系和来龙去脉， 完整地建立系统的概念。 激发我的学习热情和主动性， 培 养我的独立工作能力，在实践活动中，将所学知识综合运用，增长才干，并积累经验。 对编程语言又有了更深一层次的认识， 并对编程能力有所加强， 但还是很多的不足有待改进， 对于编程来说还需要大量的实践， 才能在发现问题和解决问题中前进与提高。六附录源代码：/ head.h 文件#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <conio.h>#include <string.h>#include&l

17、t;stack> using namespace std;512/数据块的大小512/数据块的块数32/ i 节点的大小32/i 节点的数目#define BLKSIZE#define BLKNUM#define INODESIZE#define INODENUM#define 8/ 打开文件表的数目 /用户typedef structchar user_name10;/ 用户名char password10;/ 密码 User;/i 节点typedef structshort inum;/ 文件i 节点号char 10; / 文件名char type;/ 文件类型char user_n

18、ame10; / 文件所有者short iparent;/ 父目录的i 节点号short length;/ 文件长度short address2; / 存放文件的地址 Inode;/打开文件表typedef structshort inum;/ i 节点号char 10; / 文件名short mode;/ 读写模式(1:read, 2:write,/3:read and write) ;/ 申明函数void login(void);void init(void);int analyse(char *);void save_inode(int);int get_blknum(void);voi

19、d read_blk(int);void write_blk(int);void release_blk(int);void pathset();void del(int);/ 用户命令处理函数void help(void);void cd(void);void dir(void);void mkdir(void);void creat(void);void open(void);void read(void);void write(void);void close(void);void delet(void);void logout(void);void command(void);void

20、 quit();/main.cpp 文件#include "head.h"/定义全局变量charchoice;int argc; / 用户命令的参数个数char*argv5; / 用户命令的参数int inum_cur; / 当前目录chartemp2*BLKSIZE; / 缓冲区User user; / 当前的用户charbitmapBLKNUM; / 位图数组Inode inode_arrayINODENUM; / i 节点数组; / 打开文件表数组chari mage_name10 = "data.dat" /文件系统名称FILE *fp;/ 打开

21、文件指针 /创建映像hd,并将所有用户和文件清除void format(void)int i;Inode inode;printf("Will be to format .n");printf("WARNING:ALL DATA ON THIS WILL BE LOST!n");printf("Proceed with Format(Y/N)?");scanf("%c", &choice);getchar();if(choice = 'y') | (choice = 'Y')

22、if(fp=fopen(image_name, "w+b") = NULL)printf("Can't create n", image_name); exit(-1);for(i = 0; i < BLKSIZE; i+)fputc('0', fp);inode.inum = 0;strcpy(inode., "/");inode.type = 'd'strcpy(inode.user_name, "/");inode.iparent = 0;inode.length

23、 = 0;inode.address0 = -1;inode.address1 = -1;fwrite(&inode, sizeof(Inode), 1, fp);inode.inum = -1;for(i = 0; i < 31; i+)fwrite(&inode, sizeof(Inode), 1, fp);for(i = 0; i < BLKNUM*BLKSIZE; i+)fputc('0', fp);fclose(fp);/ 打开文件 user.txtif(fp=fopen("user.txt", "w+&quo

24、t;) = NULL)printf("Can't create n", "user.txt");exit(-1);fclose(fp);printf(" created successful.Please first login!n");return ;/ 功能 : 用户登陆，如果是新用户则创建用户void login(void)char *p;int flag;char user_name10;char password10;char 10 = "user.txt"doprintf("login

25、:");gets(user_name);printf("password:");p=password;while(*p=getch()if(*p = 0x0d)*p='0' / 将输入的回车键转换成空格break;printf("*");/将输入的密码以"*" 号显示p+;flag = 0;if(fp = fopen(, "r+") = NULL)printf("nCan't open .n", );printf("This not exist, it

26、 will be create!n");format();login();while(!feof(fp)fread(&user, sizeof(User), 1, fp);/ 已经存在的用户 , 且密码正确if(!strcmp(user.user_name, user_name) &&!strcmp(user.password, password)fclose(fp);printf("n");return ;/ 已经存在的用户 , 但密码错误else if(!strcmp(user.user_name, user_name)printf(&

27、quot;nThis user is exist, but password is incorrect.n");flag = 1;fclose(fp);break;if(flag = 0) break;while(flag);/ 创建新用户if(flag = 0)printf("nDo you want to creat a new user?(y/n):");scanf("%c", &choice);gets(temp);if(choice = 'y') | (choice = 'Y')strcpy(u

28、ser.user_name, user_name);strcpy(user.password, password);fwrite(&user, sizeof(User), 1, fp);fclose(fp);return ;if(choice = 'n') | (choice = 'N')login();/ 功能 : 将所有 i 节点读入内存void init(void)int i;if(fp = fopen(image_name, "r+b") = NULL)printf("Can't open .n",

29、 image_name);exit(-1);/ 读入位图for(i = 0; i < BLKNUM; i+) bitmapi = fgetc(fp);/ 显示位图/ 读入 i 节点信息for(i = 0; i < INODENUM; i+)fread(&inode_arrayi, sizeof(Inode), 1, fp);/ 显示 i 节点/ 当前目录为根目录inum_cur = 0;/ 初始化打开文件表for(i = 0; i < ; i+)i.inum = -1;/功能：分析用户命令,将分析结果填充argc和argv/ 结果 : 0-13 为系统命令, 14 为

30、命令错误int analyse(char *str)int i;char temp20;char *ptr_char;char *syscmd="help", "cd", "dir", "mkdir", "create", "open", "read", "write", "clear","format","quit"close","delet",

31、"logout",argc = 0;for(i = 0, ptr_char = str; *ptr_char != '0' ptr_char+) if(*ptr_char != ' ') while(*ptr_char != ' ' && (*ptr_char != '0')tempi+ = *ptr_char+; argvargc = (char *)malloc(i+1); strncpy(argvargc, temp, i); argvargci = '0'argc+;i

32、= 0;if(*ptr_char = '0') break;if(argc != 0) for(i = 0; (i < 14) && strcmp(argv0, syscmdi); i+); return i;elsereturn 14;/ 功能 : 将 num 号 i 节点保存到 hd.datvoid save_inode(int num)if(fp=fopen(image_name, "r+b") = NULL)printf("Can't open n", image_name);exit(-1);fse

33、ek(fp, BLKNUM +num*sizeof(Inode), SEEK_SET);fwrite(&inode_arraynum, sizeof(Inode), 1, fp);fclose(fp);/ 功能 : 申请一个数据块int get_blknum(void)int i;for(i = 0; i < BLKNUM; i+)if(bitmapi = '0') break;/ 未找到空闲数据块if(i = BLKNUM)printf("Data area is full.n");exit(-1);bitmapi = '1'

34、if(fp=fopen(image_name, "r+b") = NULL)printf("Can't open n", image_name);exit(-1);fseek(fp, i, SEEK_SET);fputc('1', fp);fclose(fp);return i;/ 功能 : 将 i 节点号为 num 的文件读入tempvoid read_blk(int num)int i, len;char ch;int add0, add1;len = inode_arraynum.length;add0 = inode_ar

35、raynum.address0;if(len > 512)add1 = inode_arraynum.address1;if(fp = fopen(image_name, "r+b") = NULL)printf("Can't open .n", image_name);exit(-1);+add0*BLKSIZE,fseek(fp, BLKSIZE+INODESIZE*INODENUMSEEK_SET);ch = fgetc(fp);for(i=0; (i < len) && (ch != '0')

36、&& (i < 512); i+)tempi = ch;ch = fgetc(fp);if(i >= 512)fseek(fp,BLKSIZE+INODESIZE*INODENUM+add1*BLKSIZE, SEEK_SET);ch = fgetc(fp);for(; (i < len) && (ch != '0'); i+)tempi = ch;ch = fgetc(fp);tempi = '0'fclose(fp);/ 功能 : 将 temp 的内容输入 hd 的数据区void write_blk(int

37、num)int i, len;int add0, add1;add0 = inode_arraynum.address0;len = inode_arraynum.length;if(fp = fopen(image_name, "r+b") = NULL)printf("Can't open .n", image_name);exit(-1);fseek(fp, BLKSIZE+INODESIZE*INODENUM+add0*BLKSIZE, SEEK_SET);for(i=0; (i<len)&&(tempi!='

38、;0')&&(i < 512); i+)fputc(tempi, fp);if(i = 512)add1 = inode_arraynum.address1;fseek(fp, BLKSIZE+INODESIZE*INODENUM+add1*BLKSIZE, SEEK_SET);for(; (i < len) && (tempi != '0'); i+)fputc(tempi, fp);fputc('0', fp);fclose(fp);/ 功能 : 释放文件块号为 num 的文件占用的空间void relea

39、se_blk(int num)FILE *fp;if(fp=fopen(image_name, "r+b") = NULL) printf("Can't open n", image_name); exit(-1);bitmapnum = '0'fseek(fp, num, SEEK_SET);fputc('0', fp);fclose(fp);/ 功能 : 显示帮助命令void help(void)printf("command: nhelp - show help menu nclear - clea

40、r the screen ncd - change directory n mkdir - make directory n create - create a new file n open - open a exist file n read - read a file nwrite - write something to a file n close - close a file ndelet - delete a exist directory n format - format a exist n logout - exit user nquit - exit this syste

41、mn");/设置文件路径void pathset() char path50;int m,n;if(inode_arrayinum_cur.inum = 0)strcpy(path,user.user_name);elsestrcpy(path,user.user_name); m=0;n=inum_cur;while(m != inum_cur) while(inode_arrayn.iparent != m) n = inode_arrayn.iparent;strcat(path,"/");strcat(path,inode_arrayn.);m = n;n

42、 = inum_cur;printf("%s$",path);/ 功能 : 切换目录 (cd . 或者 cd dir1) void cd(void)int i;if(argc != 2)printf("Command cd must have two args. n"); return ;if(!strcmp(argv1, ".")inum_cur = inode_arrayinum_cur.iparent;elsefor(i = 0; i < INODENUM; i+)if(inode_arrayi.inum>0)&am

43、p;&(inode_arrayi.type='d')&&(inode_arrayi.iparent=inum_cur)&&!strcmp(inode_arrayi.1)&&!strcmp(inode_arrayi.user_name,user.user_name) break;if(i = INODENUM)printf("This directory isn't exsited.n");elseinum_cur = i;/ 功能 : 显示当前目录下的子目录和文件(dir)void dir(vo

44、id)int i;int dcount=0,fcount=0;short bcount=0;if(argc != 1)printf("Command dir must have one args. n");return ;/ 遍历 i 节点数组 , 显示当前目录下的子目录和文件名for(i = 0; i < INODENUM; i+)if(inode_arrayi.inum> 0) &&(inode_arrayi.iparent = inum_cur)&&!strcmp(inode_arrayi.user_name,user.us

45、er_name)if(inode_arrayi.type = 'd')dcount+;printf("%-20s<DIR>n", inode_arrayi.);elsefcount+;bcount+=inode_arrayi.length;printf("%-20s%12d bytesn", inode_arrayi.i.length);printf("n%d file(s)%11d bytesn",fcount,bcount);printf("%d dir(s) %11d bytesFreeSp

46、acen",dcount,1024*1024-bcount);/ 功能 : 在当前目录下创建子目录(mkdir dir1)void mkdir(void)int i;if(argc != 2)printf("command mkdir must have two args. n");return ;/ 遍历 i 节点数组 , 查找未用的 i 节点for(i = 0; i < INODENUM; i+)if(inode_arrayi.inum < 0) break;if(i = INODENUM)printf("Inode is full.n&

47、quot;); exit(-1);inode_arrayi.inum = i;strcpy(inode_arrayi., argv1);inode_arrayi.type = 'd'strcpy(inode_arrayi.user_name,user.user_name); inode_arrayi.iparent = inum_cur;inode_arrayi.length = 0; save_inode(i);/ 功能 : 在当前目录下创建文件(creat file)void create(void)int i;if(argc != 2)printf("comma

48、nd creat must have two args. n"); return ;for(i = 0; i < INODENUM; i+)if(inode_arrayi.inum > 0) && (inode_arrayi.type = 'f') && !strcmp(inode_arrayi., argv1) printf("This exsit.n"); return ;for(i = 0; i < INODENUM; i+)if(inode_arrayi.inum < 0) break

49、;if(i = INODENUM)printf("Inode is full.n");exit(-1);inode_arrayi.inum = i;strcpy(inode_arrayi., argv1);inode_arrayi.type = 'f'strcpy(inode_arrayi.user_name, user.user_name); inode_arrayi.iparent = inum_cur;inode_arrayi.length = 0;save_inode(i);/ 功能 : 打开当前目录下的文件(open file1)void open

50、()int i, inum, mode, ;if(argc != 2)printf("command open must have two args. n");return ;for(i = 0; i < INODENUM; i+)if(inode_arrayi.inum > 0) &&(inode_arrayi.type = 'f') &&!strcmp(inode_arrayi.1)&&!strcmp(inode_arrayi.user_name,user.user_name) break;if

51、(i = INODENUM)printf("The want to open doesn't exsited.n");return ;inum = i;printf("Please input open mode:(1: read, 2: write, 3: read and write):");scanf("%d", &mode);getchar();if(mode < 1) | (mode > 3)printf("Open mode is wrong.n");return;for(i

52、 = 0; i < ; i+)if(i.inum < 0) break;if(i = )printf("The is full, please close some file.n");return ;= i;.inum = inum;strcpy(., inode_arrayinum.);.mode = mode;printf("Open by ", .);if(mode = 1) printf("read only.n");else if(mode = 2) printf("write only.n"

53、);else printf("read and write.n");/ 功能 : 从文件中读出字符(read file1)void read()int i, inum;if(argc != 2)printf("command read must have two args. n");return;for(i = 0; i < ; i+)if(i.inum > 0) &&!strcmp(i.1)break;if(i = )printf("Open %s first.n", argv1);return ;els

54、e if(i.mode = 2)printf("Can't read %s.n", argv1);return ;inum = i.inum;printf("The length of %s:%d.n", argv1, inode_arrayinum.length);if(inode_arrayinum.length > 0)read_blk(inum);for(i = 0; (i < inode_arrayinum.length) && (tempi != '0'); i+) printf("

55、;%c", tempi);/ 功能 : 向文件中写入字符 (write file1)void write()int i, inum, length;if(argc != 2)printf("Command write must have two args. n");return ;for(i = 0; i < ; i+)if(i.inum>0)&&!strcmp(i.1) break;if(i = )printf("Open %s first.n", argv1);return ;else if(i.mode = 1

56、)printf("Can't write %s.n", argv1);return ;inum = i.inum;printf("The length of %s:%dn", inode_arrayinum., inode_arrayinum.length);if(inode_arrayinum.length = 0)i=0;inode_arrayinum.address0 = get_blknum();printf("Input the data(CTRL+Z to end):n");while(i<1023&&(tempi=getchar()!=EOF) i+