模拟UNIX文件系统的设计及其实现操作系统大作业含源文件.docx
《模拟UNIX文件系统的设计及其实现操作系统大作业含源文件.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟UNIX文件系统的设计及其实现操作系统大作业含源文件.docx（54页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
模拟UNIX文件系统的设计及其实现操作系统大作业含源文件
华南理工大学
“计算机操作系统”课程设计大作业
（含答案）
一、题目:
模拟UNIX文件系统的设计及实现
多用户、多目录的文件系统的设计------用VC或Delphi编程模拟文件系统的管理
二、目的
通过OS文件子系统的设计、增强OS设计的技巧，达到提高解决实际OS的设计能力的提高。
三、内容
多用户的多级目录的文件系统设计。
四、功能要求
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；
3.具有login（用户登录）
4.系统初始化（分配内存空间，创建文件卷，初始化根目录）
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：
delete
11.创建目录（建立子目录）：
mkdir
12.改变当前目录：
cd
13.列出文件目录：
dir（包括文件属性）
14.删除目录：
rmdir
15.退出：
logout
五、实现方法
该大作业是实现一个类似unix的文件系统，只需要实现上述功能要求中所列出的功能，代码中不能调用OS系统提供的与文件操作和磁盘操作有关的系统调用。
设计提示：
用内存模拟磁盘操作，对文件和目录的创建、删除、读写都用对内存的操作来模拟。
文件的属性信息用内存数据结构保存；所有文件内容和目录信息保存在内存中。
文件属性包括：
文件名，所有者，创建时间，最后访问时间，文件大小，数据区指针或I-node指针等。
当程序运行结束时回收内存，信息不需要保存到磁盘，下次重新运行程序时重头开始。
六、实验要求
每人完成一份大作业实验报告。
报告分设计思想、数据定义、处理流程、源程序、运行结果截图、设计体会等部分。
1）给出数据定义和详细说明；
2）给出实现思想和设计流程；
3）调试完成源程序；
4）屏幕观察运行结果；
5）总结自己的设计体会；
编程语言及操作系统平台不限。
七、提交内容
本大作业每个人必须单独完成。
最后需提交的内容包括：
源程序（关键代码需要注释说明）、可运行程序、算法思路及流程图、心得体会。
大作业必须以WORD附件的形式提交。
大作业严禁抄袭。
发现抄袭一律以不及格论。
大作业内容要完整，一定要有算法思路、流程图、心得体会、运行输出信息截屏等内容，如果只提交源代码则大作业成绩记为不合格。
2017-3-20
目 录
模拟UNIX文件系统的设计及实现
1.课程设计内容
多用户的多级目录的文件系统设计。
2.概述
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）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#
本次课程设计是要实现一个简单的模拟UNIX文件系统。
我们在内存中开辟一个虚拟磁盘空间（1MB）作为文件存储器，并将该虚拟文件系统保存到磁盘上（以一个文件的形式），以便下次可以再将它恢复到内存的虚拟磁盘空间中。
文件存储空间的管理可采用位示图方法。
3.课程设计任务及要求
3.1.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
用户登录
logout
退出当前用户
dir
列文件目录
creat
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
mkdir
创建目录
ch
改变文件目录
rd
删除目录树
format
格式化文件系统
quit
退出文件系统
3.2.设计要求
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；
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（用命令行来实现） 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：
delete
11）创建目录（建立子目录）：
mkdir 12）改变当前目录：
cd
13）列出文件目录：
dir 14）退出：
logout
新增加的功能：
15）删除目录树：
rd
16）格式化文件系统：
format
4.算法及数据结构
4.1.算法的总体思想
本课程设计是要求我们模拟UNIX文件系统功能设计一个虚拟文件系统，依据UNIX文件系统的特点，其设计思想是：
申请1M的内存空间来虚拟文件系统，将其以512B每块划分2048块，采用位示图管理文件系统的方法，利用其原理将第1块作为位图区（512B），共有对i节点区和数据块区分别建立位图；每个i节点占16B，每块有512/16=32个i节点，用2、3共两块作为i节点，总共有64个i节点，在位图区占用8B；其余2045块作为数据区（本课设要求只用到512块），在位图区占用接近256B（2045位）。
文件系统存储区分配图如下：
位图区
i节点区
数据区
位图：
用0表示未使用，1表示使用；
i节点：
文件控制块（FCB），描述文件信息的一个数据结构；
数据区：
存放用户数据，包括目录文件。
位示图用以反映整个存储空间的分配情况，由若干字节构成，每个字节中的每一位对应文件存储器中的一块，“1”状态表示相应块已占用，“0”状态表示该块为空闲。
存储块分配时，只要把找到的空闲块所对应的位由"0"改为"1"，而在释放时，只要把被释放的物理块所对应的位由"1"改为"0"即可。
分配和释放都可以在内存的位示图上完成，而且速度较快。
磁盘i节点利用在内存中生成链表或者数组的方法来生成，并且限制磁盘节点数的最大值。
同样内存i节点利用链表的方法在内存中生成。
同时在往文件中写或者读的时候我们都是对内存中有内容进行读写。
在该文件系统中，规定一个文件最多只能占用2个数据块，这两个数据块可以是不连续的，其块号记录在一个索引块中，该索引块称为inode结构。
读入一个文件时，先根据目录找到相应的i节点号，将i节点读入主存i节点，建立打开文件表指向该主存i节点，再将文件内容读入主存数据区。
4.2.系统总体框架图
4.3.系统总体流程图
4.4.各模块功能说明
4.4.1 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。
4.4.2get_blknum和release_blk模块
功能：
实现i节点的分配和回收；
算法：
当一个新的文件被建立时，在给该文件分配磁盘存储区之前，应为该文件分配存放该文件的说明信息的磁盘i节点。
反之，当从文件系统中删除某个文件时，则要首先删除它的i节点项。
4.4.3 init（）模块
功能：
进入文件系统
算法：
初始化用户打开文件系表。
在内存中申请一个虚拟存储空间，此空间必须大于或等于可格式化时的空间。
将文件系统文件读入虚拟磁盘。
4.4.4quit（）模块
功能：
退出文件系统函数quit（）
算法：
将虚拟磁盘内容保存到磁盘上。
释放虚拟磁盘所占据的空间。
撤消用用户打开文件表。
4.4.5Creat（）模块
功能：
创建文件
用法：
creatfilename
算法：
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。
分配一个用户打开文件表项，并填写相关目录，读写指针=0。
4.4.6open（）模块
功能：
打开文件open（）
用法：
openfilename
算法：
if（该文件已打开or该文件不存在）报错（出错信息）。
分配一个用户打开文件表项。
4.4.7close（）模块
功能：
关闭文件close（）
用法：
closefilename
算法：
释放该文件的用户占据的内存空间。
清空该文件的用户打开文件表目。
4.4.8write（）模块
功能：
写文件write（fd，buf，len）
用法：
writefilename，需要先打开文件。
算法：
指定写入内容长度。
buf。
修改打开文件表读/写指针。
修改目录项中的文件长度。
4.4.9read（）模块
功能：
read（fd，buf，len）
用法：
readfilename,需先打开文件。
算法：
文件信息.修改读/写指针。
4.4.10delete（）模块
功能：
删除文件delete（）
用法：
deletefilename
算法：
若文件不存在，报错。
回收磁盘空间。
回收目录项。
4.5.该文件系统的数据结构和申明函数
//用户（20B）
typedefstruct
{
charuser_name[10];//用户名
charpassword[10];//密码
}User;
//i节点（32B）
typedefstruct
{
shortinum;//文件i节点号
charfile_name[10];//文件名
chartype;//文件类型
charuser_name[10];//文件所有者
shortiparent;//父目录的i节点号
shortlength;//文件长度
shortaddress[2];//存放文件的地址
}Inode;
//打开文件表（16B）
typedefstruct
{
shortinum;//i节点号
charfile_name[10];//文件名
shortmode;//读写模式（1:
read,2:
write,3:
readandwrite）
shortoffset;//偏移量
}File_table;
//申明函数
voidlogin（void）;用户登录，如果是新用户则创建用户
voidinit（void）;程序初始化,将所有i节点读入内存
intanalyse（char*）;输入参数分析，分析用户命令
voidsave_inode（int）;将num号i节点保存到虚拟磁盘文件hd.dat
intget_blknum（void）;申请一个数据块
voidread_blk（int）;将i节点号为num的文件读入temp
voidwrite_blk（int）;将temp的内容写入hd.dat的数据区
voidrelease_blk（int）;释放文件块号为num的文件占用的空间
voidpathset（）;打印当前路径
voiddeltree（intinnum）;实现删除目录树函数
intcheck（int）;检查用户权限
//用户命令处理函数
voidhelp（void）;命令提示帮助函数
voidcd（void）;改变当前目录
voiddir（void）;显示当前目录下所有文件和目录
voidmkdir（void）;创建目录
voidrd（void）;删除目录
voidcreat（void）;创建文件
voidopen（void）;打开
voidread（void）;读文件
voidwrite（void）;写文件
voidclose（void）;关闭文件
voiddel（void）;删除文件
voidlogout（void）;用户注销
voidcommand（void）;命令管理函数
voidformat（void）;格式化虚拟磁盘
5.程序设计与实现
5.1.主要函数列表
函数原型
功能
入口、出口参数说明
voidlogin（void）
用户登陆
voidinit（void））
程序初始化
intanalyse（char*）
输入参数分析
命令行字符串
voidsave_inode（int）
保存i节点到虚拟磁盘文件
i节点号
intget_blknum（void）
分配一个磁盘块
voidread_blk（int）
读磁盘快内容
i节点号
voidwrite_blk（int）
写磁盘块
i节点号
voidrelease_blk（int）
释放一个磁盘块
i节点号
voidpathset（）;
打印当前路径
voiddeltree（intinnum）;
实现删除目录树函数
i节点号
intcheck（int）;
检查用户权限
i节点号
voidhelp（void）
命令提示帮助函数
voiddir（void）
显示当前目录下所有文件和目录
voidmkdir（void）
创建目录
voidcreat（void）
创建文件
voidopen（void）
打开文件
voidread（void）
读文件
voidwrite（void）
写文件
voidclose（void）
关闭文件
voiddel（void）
删除文件
voidlogout（void）
用户登出
voidcommand（void）
命令管理函数
voidrd（void）
删除目录
voidformat（void）;
格式化虚拟磁盘
5.2.函数之间的关系
5.3.程序流程图
各功能模块流程图
5.4.源程序
/*main.c*/
#include"head.h"
charchoice;
intargc;//用户命令的参数个数
char*argv[5];//用户命令的参数
intinum_cur;//当前目录
chartemp[2*BLKSIZE];//缓冲区
Useruser;//当前的用户
charbitmap[BLKNUM];//位图数组
Inodeinode_array[INODENUM];//i节点数组
File_tablefile_array[FILENUM];//打开文件表数组
charimage_name[10]="hd.dat";//文件系统名称
FILE*fp;//打开文件指针
//创建映像hd，并将所有用户和文件清除
voidformat（void）
{
FILE*fp;
inti;
Inodeinode;
printf（"Willbetoformatfilesystem...\n"）;
printf（"WARNING:
ALLDATAONTHISFILESYSTEMWILLBELOST!
\n"）;
printf（"ProceedwithFormat（Y/N）?
"）;
scanf（"%c",&choice）;
gets（temp）;
if（（choice=='y'）||（choice=='Y'））
{
if（（fp=fopen（image_name,"w+b"））==NULL）
{
printf（"Can'tcreatefile%s\n",image_name）;
exit（-1）;
}
for（i=0;ifputc（'0',fp）;
inode.inum=0;
strcpy（inode.file_name,"/"）;
inode.type='d';
strcpy（inode.user_name,"all"）;
inode.iparent=0;
inode.length=0;
inode.address[0]=-1;
inode.address[1]=-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;ifputc（'\0',fp）;
fclose（fp）;
//打开文件user.txt
if（（fp=fopen（"user.txt","w+"））==NULL）
{
printf（"Can'tcreatefile%s\n","user.txt"）;
exit（-1）;
}
fclose（fp）;
printf（"Filesystemcreatedsuccessful.Pleasefirstlogin!
\n"）;
}
return;
}
//功能:
用户登陆，如果是新用户则创建用户
voidlogin（void）
{
char*p;
intflag;
charuser_name[10];
charpassword[10];
charfile_name[10]="user.txt";
do
{
printf（"login:
"）;
gets（user_name）;
printf（"password:
"）;
p=password;
while（*p=getch（））
{
if（*p==0x0d）//当输入回车键时，0x0d为回车键的ASCII码
{
*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（file_name,"r+"））==NULL）
{
printf（"\nCan'topenfile%s.\n",file_name）;
printf（"Thisfilesystemnotexist,itwillbecreate!
\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
elseif（!
strcmp（user.user_name,user_name））
{
printf（"\nThisuserisexist,butpasswordisincorrect.\n"）;
flag=1;
fclose（fp）;
break;
}
}
if（flag==0）break;
}while（flag）;
//创建新用户
if（flag==0）
{
printf（"\nDoyouwanttocreatanewuser?
（y/n）:
"）;
scanf（"%c",&choice）;
gets（temp）;
if（（choice=='y'）||（choice=='Y'））
{
strcpy（user.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
voidinit（void）
{
inti;
if（（fp=fopen（image_name,"r+b"））==NULL）
{
printf（"Can'topenfile%s.\n",image_name）;
exit（-1）;
}
//读入位图
for（i=0;ibitmap[i]=fgetc（fp）;
//显示位图
//读入i节点信息
for（i=0;ifread（&inode_array[i],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;ifile_array[i].inum=-1;
}
//功能:
分析用户命令,将分析结果填充argc和argv
//结果:
0-14为系统命令,15为命令错误
intanalyse（char*str）
{
inti;
chartemp[20];
char*ptr_char;
char*syscmd[]={"help","cd","dir","mkdir","creat","open","read","write","close","delete","logout","clear","format","quit","rd"};
argc=0;
for（i=0,ptr_char=str;*ptr_char!
='\0';ptr_char++）
{
if（*ptr_char!
=''）
{
while（*ptr_char!
=''&&（*ptr_char!
='\0'））
temp[i++]=*ptr_char++;
argv[argc]=（char*）malloc（i+1）;
strncpy（argv[arg
升级会员 