操作系统课程设计-文件系统
*************学院
课 程 设 计
课程名称 操作系统课程设计
题目 为LINUX 设计一个简单的二级文件系统
专 业 ********* 班 级 ******* 姓 名 成 绩 指导教师
2011年1月17日 至 2011年1月21日
课程设计任务书
设计题目：为LINUX 设计一个简单的二级文件系统 设计目的:
1、通过一个简单多用户文件系统的设计，加深理解文件系统的内部功能及内部实现。 2、提高学生的程序设计能力、 提高算法设计质量与程序设计素质 。
设计任务：（在规定的时间内完成下列任务）
为LINUX 设计一个简单的二级文件系统。要求做到以下几点： 1、可以实现下列几条命令（至少4条）
Login 用户登录
Dir 列文件目录
Create 创建文件
Delete 删除文件
Open 打开文件
Close 关闭文件
Read 读文件
Write 写文件
2、列目录时要列出文件名、物理地址、保护码和文件长度。 3、源文件可以进行读写保护。
时间安排:
1月 17日 布置课程设计任务；分配题目后，查阅资料、 准备程序； 1月 18日～1月20 日上机调试程序、书写课程设计报告；
1月21 日上午提交课程设计报告及相关文档。
地点：学校机房（具体见现代教育中心大屏幕安排）
具体要求：
1、课程设计报告按统一通用格式书写，具体格式要求请在网络上查阅 2、每位学生应独立完成各自的任务且每天至少在设计室工作半天
指 导 教 师 签 名： 11年 1月 7日
教研室主任（或责任教师）签名： 11年 1月 7 日
目录
一． 项目概述 . .............................................................................................................................. 3 二. 三. 四. 五.
课程设计设计题目 . .............................................................................................................. 4 开发语言及实现平台或实验环境 . ...................................................................................... 4 设计目的 . .............................................................................................................................. 4 设计内容 . .............................................................................................................................. 4 5.1. 5.2. 六.
任务 . .......................................................................................................................... 4 主程序流程图 . .......................................................................................................... 4
程序设计 . .............................................................................................................................. 5 6.1. 6.2.
设计思想 . .................................................................................................................. 5 设计要求 . .................................................................................................................. 5
七. 设计原理 . .............................................................................................................................. 6 7.1. 7.2. 7.3. 7.4.
外存管理 . .................................................................................................................. 6 linux 的EXT2文件系统 . ......................................................................................... 6 用内存来模拟外存 . .................................................................................................. 6 编码 . .......................................................................................................................... 6
八. 九. 十. 十一. 十二.
测试界面 . ............................................................................................................................ 15 参考文献 . ............................................................................................................................ 17 设计心得体会 . .................................................................................................................... 17 设计过程中的疑问 . ........................................................................................................ 18 指导教师评语 . ................................................................................................................ 18
一．项目概述
Linux 是一个性能稳定、功能强大、效率高的操作系统。它在功能特性方面与Unix 系统相似，同时又具有多任务、多用户、多平台等若干特性。Linux 的源代码是开放的，阅读Linux 源代码, 无疑是深入学习Linux 的最好方法。 文件系统是Linux 操作系统的重要组成部分，Linux 文件具有强大的功能。文件系统中的文件是数据的集合，文件系统不仅包含着文件中的数据而且还有文件系统的结构，所有Linux 用户和程序看到的文件、目录、软连接及文件保护信息等都存储在其中。
二. 课程设计设计题目
课程设计题目：Linux 二级文件系统设计
三. 开发语言及实现平台或实验环境
开发语言：C++/VC++
实现平台(环境) ：visual C++、window xp、VMware Workstation(虚拟机) V6.0.2、Red Hat Enterprise Linux os 、office 2003
四. 设计目的
（1）本实验的目的是通过一个简单多用户文件系统的设计，加深理解文件系统的内部功能和内部实现。
（2）结合数据结构、程序设计、计算机原理等课程的知识，设计一个二级文件系统，进一步理解操作系统。
（3）通过分对实际问题的分析、设计、编程实现，提高学生实际应用、编程的能力
五. 设计内容
5.1. 任务
为Linux 系统设计一个简单的二级文件系统。要求做到以下几点：
1. 可以实现下列几条命令： login 用户登录 dir 列目录 create 创建文件 delete 删除文件
open 打开文件 close 关闭文件 read 读文件 write 写文件 cd 进出目录
2．列目录时要列出文件名，物理地址，保护码和文件长度
3．源文件可以进行读写保护
5.2. 主程序流程图
六. 程序设计
6.1. 设计思想
本文件系统采用两级目录，其中第一级对应于用户账号，第二级对应于用户帐号下的文件。另外，为了简便文件系统未考虑文件共享，文件系统安全以及管道文件与设备文件等特殊内容。
首先应确定文件系统的数据结构：主目录、子目录及活动文件等。主目录和子目录都以文件的形式存放于磁盘，这样便于查找和修改。
用户创建的文件，可以编号存储于磁盘上。如：file0,file1,file2„并以编号作为物理地址，在目录中进行登记。
6.2. 设计要求
理解Linux 的文件系统的组织；掌握常用的数据结构；系统采用两级目录，其中第一级对应于用户账号，第二级对应于用户帐号下的文件; 使用文件来模拟外存，进行数据结构设计和操作算法的设计，实现一个文件系统并实现基本的文件操作（为了简便文件系统，不考虑文件共享，文件系统安全以及管道文件与设备文件等特殊内容）。要求：
1、 对程序的每一部分要有详细的设计分析说明 2、 程序执行的每个步骤要有具体的提示内容或输出
3、 4、 5、 6、 源代码格式规范，注释不少于三分之一
设计合适的测试用例，对得到的运行结果要有分析， 设计中遇到的问题，设计的心得体会
提交完整程序代码、课程设计报告及相关文档
七. 设计原理
7.1. 外存管理
文件系统是一个含有大量的文件及其属性，对文件进行操作、管理的软件，以及向用户
作为产品的操作系统有各自的文件系统。比如MS 的WINDOWS 系列使用的是FAT16、FAT32或NTFS 的文件系统、LINUX 使用的是EXT2、EXT3文件系统等等。
7.2. linux 的EXT2文件系统
linux 使用一个叫虚拟文件系统的技术从而可以支持多达几十种的不同文件系统，而EXT2是linux 自己的文件系统。它有几个重要的数据结构，一个是超级块，用来描述目录和文件在磁盘上的物理位置、文件大小和结构等信息。inode 也是一个重要的数据结构。文件系统中的每个目录和文件均由一个inode 描述。它包含：文件模式（类型和存取权限）、数据块位置等信息。如果希望详细学习EXT2文件系统可以参看linux 内核代码include/linux/ext2_fs.h、include/linux/ext2_fs_sb.h等文件。
一个文件系统除了重要的数据结构之外，还必须为用户提供有效的接口操作。比如EXT2提供的OPEN/CLOSE接口操作。
7.3. 用内存来模拟外存
真正的文件系统对外存进行管理，涉及到许多硬件、设备管理方面的底层技术，一方面这些技术不属于操作系统核心内容，一方面过多的内容不免造成实验者顾此失彼，所以这里推荐一种使用内存来模拟外存的方式，可以跳过这些硬件技术而直接把精力放在数据结构设计和操作算法设计上面。
假定pInode 是一个指向inode 结构的指针，而且它已经放入的需要放入的数值了，现在需要将其写入到特定位置。可用如下代码：
„„
fd=fopen(“filesystem ”, ”w+b”) ； //fd是FILE 指针类型，w 便是写方
式，b 表示二进制
fseek(fd, specific_area,SEEK_SET)；// fd是文件指针；specific_area为整形，
// 为需要入pInode 的位置
fwrite(pInode,1,sizeof(inode),fd)； // 写入pInode 信息
7.4. 编码
#include #include #include
#define DIR_LENGTH 1024 /*路径最长可达100字节*/
#define MAX_WRITE 1024*128 /*写入文字可达128k 字节*/ #define MEM_D_SIZE 1024*1024 /*1M磁盘空间*/ #define DISKSIZE 1024 /*磁盘块的大小 1K*/ #define MSD 5 /*最大子目录数 5 */
#define DISK_NUM MEM_D_SIZE/DISKSIZE /*磁盘块数目 1024=1M/1K*/ #define FATSIZE DISK_NUM*sizeof(struct fatitem) /*FAT表大小 */ #define MOFN 5 /*最大文件打开数 5 (即除根以外最大深度为5)*/ #define ROOT_DISK_NO FATSIZE/DISKSIZE+1 /*根目录起始盘快号 9*/ #define ROOT_DISK_SIZE sizeof(struct direct)/*根目录大小 196*/ /*---------------FAT表项结构-----------------------*/ struct fatitem /* size 8*/ {
int item; /*存放文件下一个磁盘的指针*/
char em_disk; /*磁盘块是否空闲标志位 0 空闲*/ };
/*-------------------目录项结构------------------------*/ struct direct {
/*-----文件控制快信息-----*/ struct FCB {
char name[9]; /*文件/目录名 8位*/
char property; /*属性 1位目录 0位普通文件*/ int size; /*文件/目录字节数、盘块数)*/ int firstdisk; /*文件/目录 起始盘块号*/ int next; /*子目录起始盘块号*/
int sign; /*1是根目录 0不是根目录*/ }directitem[MSD+2]; };
/*------------------文件打开表项结构--------------------------*/ struct opentable {
struct openttableitem {
char name[9]; /*文件名*/
int firstdisk; /*起始盘块号*/ int size; /*文件的大小*/ }openitem[MOFN];
int cur_size; /*当前打文件的数目*/ };
/*-------------------------------------------------------------------*/
struct fatitem *fat; /*FAT表*/ struct direct *root; /*根目录*/
struct direct *cur_dir; /*当前目录*/
struct opentable u_opentable; /*文件打开表*/ int fd=-1; /*文件打开表的序号*/
char *bufferdir; /*记录当前路径的名称*/ char *fdisk; /*虚拟磁盘起始地址*/ int create(char *name); int open(char *name); int close(char *name);
int write(int fd,char *buf,int len); int read(int fd,char *buf); int del(char *name); int mkdir(char *name); int rmdir(char *name); void dir();
int cd(char *name);
/*-----------创建文件---------------------------------*/ int create(char *name) {
int i,j;
if(strlen(name)>8) /*文件名大于 8位*/ return(-1);
for(j=2;j
if(!strcmp(cur_dir->directitem[j].name,name)) break; }
if(j
for(i=2;i
if(cur_dir->directitem[i].firstdisk==-1) break; }
if(i>=MSD+2) /*无空目录项*/ return(-2);
if(u_opentable.cur_size>=MOFN) /*打开文件太多*/ return(-3);
for(j=ROOT_DISK_NO+1;j
if(fat[j].em_disk=='0')
break; }
if(j>=DISK_NUM) return(-5);
fat[j].em_disk = '1'; /*将空闲块置为已经分配*/ /*-----------填写目录项-----------------*/ strcpy(cur_dir->directitem[i].name,name); cur_dir->directitem[i].firstdisk = j; cur_dir->directitem[i].size = 0; cur_dir->directitem[i].next = j;
cur_dir->directitem[i].property = '0'; /*---------------------------------*/ fd = open(name); return 0;
/*---------打开文件---------------------------*/ int open(char *name) {
int i, j;
for(i=2;i
if(!strcmp(cur_dir->directitem[i].name,name)) break; }
if(i>=MSD+2)
return(-1);
/*--------是文件还是目录-----------------------*/ if(cur_dir->directitem[i].property=='1') return(-4);
/*--------文件是否打开-----------------------*/ for(j=0;j
if(!strcmp(u_opentable.openitem[j].name,name)) break; }
if(j
if(u_opentable.cur_size>=MOFN) /*文件打开太多*/ return(-3);
/*--------查找一个空闲用户打开表项-----------------------*/ for(j=0;j
if(u_opentable.openitem[j].firstdisk==-1) break; }
/*--------------填写表项的相关信息------------------------*/ u_opentable.openitem[j].firstdisk = cur_dir->directitem[i].firstdisk;
strcpy(u_opentable.openitem[j].name,name);
u_opentable.openitem[j].size = cur_dir->directitem[i].size; u_opentable.cur_size++;
/*----------返回用户打开表表项的序号--------------------------*/ return(j); }
/*-----------关闭文件------------------------*/ int close(char *name) {
int i;
for(i=0;i
{ if(!strcmp(u_opentable.openitem[i].name,name)) break; }
if(i>=MOFN) return(-1);
/*----清空该文件的用户打开表项的内容---------------------*/ strcpy(u_opentable.openitem[i].name,""); u_opentable.openitem[i].firstdisk = -1; u_opentable.openitem[i].size = 0; u_opentable.cur_size--; return 0; }
/*---------写文件---------------------------*/ int write(int fd, char *buf, int len) {
char *first;
int item, i, j, k;
int ilen1, ilen2, modlen, temp;
/*---用 $ 字符作为空格 # 字符作为换行符------------------*/ char Space = 32; char Endter= '\n'; for(i=0;i
else if(buf[i] == '#') buf[i] = Endter; }
/*----读取用户打开表对应表项第一个盘块号----------*/ item = u_opentable.openitem[fd].firstdisk;
/*--找到当前目录所对应表项的序号--------------*/ for(i=2;i
{
if(cur_dir->directitem[i].firstdisk==item) break; }
temp = i; /*-存放当前目录项的下标-*/
/*------找到的item 是该文件的最后一块磁盘块-------------------*/ while(fat[item].item!=-1) {
item =fat[item].item; /*-查找该文件的下一盘块--*/ }
/*-----计算出该文件的最末地址-------*/
first = fdisk+item*DISKSIZE+u_opentable.openitem[fd].size%DISKSIZE; /*-----如果最后磁盘块剩余的大小大于要写入的文件的大小-------*/ if(DISKSIZE-u_opentable.openitem[fd].size%DISKSIZE>len) {
strcpy(first,buf);
u_opentable.openitem[fd].size = u_opentable.openitem[fd].size+len; cur_dir->directitem[temp].size = cur_dir->directitem[temp].size+len; } else {
for(i=0;i
/*计算分配完最后一块磁盘的剩余空间(字节) 还剩下多少字节未存储*/ ilen1 = len-(DISKSIZE-u_opentable.openitem[fd].size%DISKSIZE); ilen2 = ilen1/DISKSIZE; modlen = ilen1%DISKSIZE; if(modlen>0)
ilen2 = ilen2+1; /*--还需要多少块磁盘块-*/ for(j=0;j
for(i=ROOT_DISK_NO+1;i
if(fat[i].em_disk=='0') break; }
if(i>=DISK_NUM) /*--如果磁盘块已经分配完了-*/ return(-1);
first = fdisk+i*DISKSIZE; /*--找到的那块空闲磁盘块的起始地址-*/ if(j==ilen2-1) /*--如果是最后要分配的一块-*/ { for(k=0;k
*DISKSIZE;k++)
first[k] = buf[k]; }
else/*-如果不是要最后分配的一块--*/ {
for(k=0;k
fat[item].item = i; /*--找到一块后将它的序号存放在上一块的指针中-*/
fat[i].em_disk = '1'; /*--置找到的磁盘快的空闲标志位为已分配-*/ fat[i].item = -1; /*--它的指针为 -1 (即没有下一块)-*/ }
/*--修改长度-*/
u_opentable.openitem[fd].size = u_opentable.openitem[fd].size+len; cur_dir->directitem[temp].size = cur_dir->directitem[temp].size+len; }
return 0; }
/*----------读文件--------------------*/ int read(int fd, char *buf) {
int len = u_opentable.openitem[fd].size; char *first; int i, j, item; int ilen1, modlen;
item = u_opentable.openitem[fd].firstdisk; ilen1 = len/DISKSIZE; modlen = len%DISKSIZE; if(modlen!=0)
ilen1 = ilen1+1; /*--计算文件所占磁盘的块数-*/
first = fdisk+item*DISKSIZE; /*--计算文件的起始位置-*/ for(i=0;i
if(i==ilen1-1) /*--如果在最后一个磁盘块-*/ {
for(j=0;j
else /*--不在最后一块磁盘块-*/ {
for(j=0;j
item = fat[item].item; /*-查找下一盘块-*/ first = fdisk+item*DISKSIZE; } }
return 0; }
/*----删除文件--------------------*/ int del(char *name) {
int i,cur_item,item,temp;
for(i=2;i
if(!strcmp(cur_dir->directitem[i].name,name)) break; }
cur_item = i; /*--用来保存目录项的序号, 供释放目录中-*/ if(i>=MSD+2) /*--如果不在当前目录中-*/ return(-1);
if(cur_dir->directitem[cur_item].property!='0') /*--如果删除的(不) 是目录-*/
return(-3);
for(i=0;i
item = cur_dir->directitem[cur_item].firstdisk;
while(item!=-1) /*--释放空间, 将FAT 表对应项进行修改-*/ {
temp = fat[item].item; fat[item].item = -1; fat[item].em_disk = '0'; item = temp; }
/*-----------------释放目录项-----------------------*/ cur_dir->directitem[cur_item].sign = 0;
cur_dir->directitem[cur_item].firstdisk = -1; strcpy(u_opentable.openitem[cur_item].name,""); cur_dir->directitem[cur_item].next = -1;
cur_dir->directitem[cur_item].property = '0'; cur_dir->directitem[cur_item].size = 0;
return 0; }
/*---------创建子目录---------------------*/ int mkdir(char *name)
{
int i,j;
struct direct *cur_mkdir; if(!strcmp(name,".")) return(-4);
if(!strcmp(name,"..")) return(-4);
if(strlen(name)>8) /*-如果目录名长度大于 8位-*/ return(-1);
for(i=2;i
if(cur_dir->directitem[i].firstdisk==-1) break; }
if(i>=MSD+2) /*-目录/文件 已满-*/ return(-2);
for(j=2;j
if(!strcmp(cur_dir->directitem[j].name,name)) break; }
if(j
for(j=ROOT_DISK_NO+1;j
if(fat[j].em_disk=='0') break; }
if(j>=DISK_NUM) return(-5);
fat[j].em_disk='1'; /*-将该空闲块设置为已分配-*/ /*-------------填写目录项----------*/
strcpy(cur_dir->directitem[i].name,name); cur_dir->directitem[i].firstdisk=j;
cur_dir->directitem[i].size=ROOT_DISK_SIZE; cur_dir->directitem[i].next=j;
cur_dir->directitem[i].property='1';
/*-所创目录在虚拟磁盘上的地址(内存物理地址)-*/ cur_mkdir=(struct direct *)(fdisk+cur_dir->directitem[i].firstdisk*DISKSIZE); /*-初始化目录-*/
/*-指向当前目录的目录项-*/
cur_mkdir->directitem[0].sign=0;
cur_mkdir->directitem[0].firstdisk=cur_dir->directitem[i].firstdisk;
strcpy(cur_mkdir->directitem[0].name,".");
cur_mkdir->directitem[0].next=cur_mkdir->directitem[0].firstdisk; cur_mkdir->directitem[0].property='1';
cur_mkdir->directitem[0].size=ROOT_DISK_SIZE; /*-指向上一级目录的目录项-*/
cur_mkdir->directitem[1].sign=cur_dir->directitem[0].sign;
cur_mkdir->directitem[1].firstdisk=cur_dir->directitem[0].firstdisk; strcpy(cur_mkdir->directitem[1].name,"..");
cur_mkdir->directitem[1].next=cur_mkdir->directitem[1].firstdisk; cur_mkdir->directitem[1].property='1';
cur_mkdir->directitem[1].size=ROOT_DISK_SIZE; for(i=2;i
cur_mkdir->directitem[i].sign=0;
cur_mkdir->directitem[i].firstdisk=-1; strcpy(cur_mkdir->directitem[i].name,""); cur_mkdir->directitem[i].next=-1;
cur_mkdir->directitem[i].property='0'; cur_mkdir->directitem[i].size=0; }
return 0; }
/*--显示当前目录的子目录--------------*/ void dir() {
int i;
for(i=2;i
{ if(cur_dir->directitem[i].firstdisk!=-1) /*-如果存在子目录-*/ {
printf("%s\t",cur_dir->directitem[i].name);
if(cur_dir->directitem[i].property=='0') /*-文件-*/ printf("%d\t\t\n",cur_dir->directitem[i].size); else
printf("\t\t\n"); } } } }
八. 测试界面
a. 主界面见图2
图2
b. 创建文件见图
3
图3
c. 关闭、打开文件见图
4
图4
4. 创建与列出子目录见图
5
图5
5. 写文件、读文件见图
6
图6
6. 关闭文件和删除文件见图
7
图7
九. 参考文献
计算机操作原理(第四版) 庞丽萍 编著
计算机操作系统, 中国人民大学出版社，谭耀铭主编
十. 设计心得体会
课程设计是对我们平时学习的一种考察，我们要正确地对待。不断地锻炼自己动手动脑的能力、把知识赋予实践就是我们学习的目标！ 既然学校给我们这么好的机会，让我们自己在实验室作操作，我们应该好好抓住机会，把我们平时学习的东西用自己的作品展现出来。这次，我做的是《模拟linux 二级文件系统设计》的课程主题，这给了我充分锻炼的机会。我会用自己学到的东西的设计出一副好的作品。
通过四天的制作，我以基本完成了自己的作品。从中我明白：《操作系统》是一门非常有趣味的学科，只要你学得好再加上你的编程能力，你就可以开发出很好的软件作品。同时我觉得要学好基本的操作系统知识，首先要有一颗坚毅的心，有恒心，有信心，在学习过程中，坎坷是避免不了的，但千万不要灰心，不要气馁，要继续努力，刚开始是会感到很无助的，也许会产生放弃的念头，千万顶住，只要克服了开始的难关，以后的路才会充满阳光，充满快乐。
而且，在程序设计过程中我也遇到了很多问题。但是在老师和同学的帮助下，我一次次将难题解决。对此，我由衷地感谢那些在我开发过程中帮助过我的人。 我相信通过我以后很加刻苦的学习，我会更加热爱我的专业课程。
十一. 设计过程中的疑问
十二. 指导教师评语