模拟UNIX文件系统的设计及实现.doc

操作系统课程设计 模拟UNIX文件系统的设计及实现 （考试专用） 院 系： 国际教育学院 班 级： 姓 名： 指导教师： 2011 年 5 月 18 日操作系统课程设计任务书一、题目：银行家算法二、设计要求（1）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。（2）查阅相关资料，自学具体课题中涉及到的新知识。（3）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。（4）所设计的系统应有菜单、动画和音乐。（5）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2011年5月10日，指导教师讲课，学生根据题目准备资料；2011年5月12日，设计小组进行总体方案设计和任务分工；2011年5月13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；2011年5月14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；2011年5月16日，验收、撰写报告；2011年5月18日，验收或总结。 指导教师签章 教研室主任签章 操作系统课程设计指导教师评语与成绩指导教师评语：课程设计表现成绩： 课程设计验收成绩： 课程设计报告成绩： 课程设计 总成绩： 指导教师签章 2009年 7月 日 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. 30一概述【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)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#i节点区文件存储区引导区管理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UNIX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 用户登录logout退出当前用户dir列文件目录creat创建文件delet删除文件及目录树open打开文件close关闭文件read读文件write 写文件mkdir创建目录cd改变文件目录format格式化文件系统quit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；     （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）列出文件目录：dir     （14）退出：logout   二总体设计【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。【系统总体框架图】【系统总体流程图】开始文件系统是否建立？在内存中申请内存空间将磁盘上的文件读入内存YN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用户名、密码对吗？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。退出用户(logout)吗？用户输入quit吗？结束执行format()，建立文件系统NNNYYY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 .creat()模块功能： 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()模块功能：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()模块功能：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()模块功能：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()模块功能： 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是否否是提示输入用户名和密码用户名是否存在创建新用户读入用户信息到内存开始密码是否正确结束用户登陆login() 读入位示图信息到内存读入i节点信息到内存当前目录为根目录初始化打开文件表结束开始初始化函数init()是是否否遍历i节点区argv1=”.”目录是否存在找到的目录i节点号送当前目录inum_cur当前目录的父i节点号送当前目录inum_cur开始结束改变当前目录cd() 是是否否遍历i节点区i节点的父节点是否为当前目录i节点区是否遍历完输出文件名或目录名开始结束显示目录dir()是是否否遍历i节点区要创建的目录是否存在是否有空的i节点遍历i节点区分配一个目录i节点开始结束创建目录mkdir() 是是否否遍历i节点区要创建的文件是否存在是否有空的i节点遍历i节点区分配一个文件i节点开始结束创建文件creat()是否是否是否遍历i节点区要打开的文件是否存在提示输入打开模式将打开文件信息写入打开文件信息表file_array遍历打开文件表file_array文件是否已经打开提示输入开始位置和读字节数调用读块操作，读出块内字符模式是否为可读开始结束开始结束打开文件open()读文件read()是否是否遍历打开文件表file_array文件是否已经打开提示输入写入字节数调用写块操作，写入块内字符模式是否为可写是否遍历打开文件表file_array文件是否已经打开将打开文件表项标志位置-1file_arrayi.inum = -1开始结束写文件write()开始结束关闭文件close()是否遍历i节点区要删除的文件是否存在释放文件对应的i节点区inode_arrayi.inum = -1释放两个磁盘块文件是否大于的一块释放一个磁盘块是否开始结束删除文件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3. 建立新的文件，打开，写，读。4. clear清屏后，dir查看当前目录下文件信息5.返回根目录下，并删除根目录下所有子目录和文件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，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，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<stack>using namespace std;#define BLKSIZE 512/ 数据块的大小 #define BLKNUM 512/ 数据块的块数#define INODESIZE 32/ i节点的大小#define INODENUM 32/ i节点的数目#define FILENUM 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 file_name10; / 文件名char type; / 文件类型char user_name10; / 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 file_name10; / 文件名short mode; / 读写模式(1:read, 2:write, / 3:read and write) File_table;/ 申明函数void login(void);void init(void);int analyse(char *);void save_inode(int);int get_blknum(void);void 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 quit();/main.cpp文件#include "head.h"/定义全局变量 charchoice;intargc;/ 用户命令的参数个数char*argv5;/ 用户命令的参数intinum_cur;/ 当前目录chartemp2*BLKSIZE;/ 缓冲区Useruser;/ 当前的用户charbitmapBLKNUM;/ 位图数组Inodeinode_arrayINODENUM;/ i节点数组File_table file_arrayFILENUM;/ 打开文件表数组charimage_name10 = "data.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void format(void)int i;Inode inode;printf("Will be to format filesystem.n");printf("WARNING:ALL DATA ON THIS FILESYSTEM WILL BE LOST!n");printf("Proceed with Format(Y/N)?");scanf("%c", &choice); getchar(); if(choice = 'y') | (choice = 'Y') if(fp=fopen(image_name, "w+b") = NULL) printf("Can't create file %sn", image_name); exit(-1); for(i = 0; i < BLKSIZE; i+) fputc('0', fp); inode.inum = 0; strcpy(inode.file_name, "/"); inode.type = 'd' strcpy(inode.user_name, "/"); inode.iparent = 0; inode.length = 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.txt if(fp=fopen("user.txt", "w+") = NULL) printf("Can't create file %sn", "user.txt"); exit(-1); fclose(fp); printf("Filesystem 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 file_name10 = "user.txt"do printf("login:"); 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(file_name, "r+") = NULL) printf("nCan't open file %s.n", file_name); printf("This filesystem not exist, it 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("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(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void init(void)int i;if(fp = fopen(image_name, "r+b") = NULL) printf("Can't open file %s.n", 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 < FILENUM; i+)file_arrayi.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", "close", "delet", "logout", "clear","format","quit"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 = 0; if(*ptr_char = '0') break; if(argc != 0) for(i = 0; (i < 14) && strcmp(argv0, syscmdi); i+); return i;else return 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 file %sn", image_name); exit(-1);fseek(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'if(fp=fopen(image_name, "r+b") = NULL) printf("Can't open file %sn", 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temp void read_blk(int num)int i, len;char ch;int add0, add1;len = inode_arraynum.length;add0 = inode_arraynum.address0;if(len > 512) add1 = inode_arraynum.address1;if(fp = fopen(image_name, "r+b") = NULL) printf("Can't open file %s.n", image_name); exit(-1);fseek(fp, BLKSIZE+INODESIZE*INODENUM +add0*BLKSIZE, SEEK_SET);ch = fgetc(fp);for(i=0; (i < len) && (ch != '0') && (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 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 file %s.n", image_name); exit(-1);fseek(fp, BLKSIZE+INODESIZE*INODENUM+add0*BLKSIZE, SEEK_SET);for(i=0; (i<len)&&(tempi!='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 release_blk(int num)FILE *fp;if(fp=fopen(image_name, "r+b") = NULL) printf("Can't open file %sn", 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: n help - show help menu nclear - clear the screen ncd - change directory nmkdir - make directory ncreate - create a new file nopen - open a exist file nread - read a file nwrite - write someth