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1、东莞理工学院操作系统课程设计报告第 1 页 共 66 页设计时间： 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
2、统的文件管理方式，每次调用该文件系统时，首先申请一定的内存空间，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
3、 creat 创建文件open 打开文件 dir 显示当前目录和文件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、 设计思路东莞理工学院操作系统课程设计报告第 2 页
4、共 66 页（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
5、。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109 106 103 100 95310 307 304 301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
6、。（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
7、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_uid、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211 208 205 202 东莞理工学院操作系统课程设计报告第 3 页 共 66 页分配过程 ialloc：当内核创建一新文件时，
8、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
9、。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 iget：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
10、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
11、 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，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
12、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; /* 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
13、i 节点)数据结构 */东莞理工学院操作系统课程设计报告第 4 页 共 66 页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_nameDIRSIZ;FILE *fd; /* 本系统的所有文件指针 */void main()char reg_or_log; / 注册/ 登
14、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，要进行格式化 */if( format() = 0 ) /* 格式化 */return; /* 格式化不成功 */pri
15、ntf( 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( reg_or_log = l ) | ( reg_or_log = L )printf( %cn, reg_or_log );东莞理工学院操作系统课程设计报告第 5 页 共 66 页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
