操作系统课程设计 - 简单的文件系统

2024-02-11 16:38:58

自己用Rust实现的简单文件系统，单用户多级目录，用FAT表进行实现。
第一次使用Rust编写程序，也是第一次触及到比较底层的软件实现，希望大佬们不吝赐教！

Github地址：https://github.com/ZHider/BasicFileSystem

以下是实验报告书。

设计目的

通过设计一个小型文件系统，进一步掌握文件管理的方法和技术，在实践中去认识文件系统的实现原理，加深对文件系统存储、数据的安全性和一致性理解，使学生初步具有研究、设计、编制和调试操作系统模块的能力。

设计内容

实现一个模拟文件系统，可为该文件系统设计相应的数据结构来管理目录、磁盘空闲空间、已分配空间等。提供文件的创建、删除、移位、改名等功能。提供良好的界面，可以显示磁盘文件系统的状态和空间的使用情况。提供虚拟磁盘转储功能，可将信息存入磁盘，还可从磁盘读入内存。

设计准备

原理和概念

文件系统，指OS中管理文件的软件。它负责管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并为用户提供一整套方便有效的文件使用和操作方法。它在OS接口中占比例最大，是I/O系统的上层软件。

要实现一个简单的文件系统，首先就了解操作系统中文件系统所需要使用到相关知识。需要了解的概念：文件目录/目录文件、文件控制块（FCB）/目录项、磁盘簇、文件分配表（FAT）。

在此，选取单用户多级目录进行实现，并视所有文件为流式文件，建立类似于FAT32文件系统中的文件分配表（FAT）进行文件连接-物理簇的索引。

技术准备

本次操作系统课程设计使用Rust程序设计语言进行实现。为此，需要学习Rust语言的相关语法和编程知识，如所有权、借用、生命周期等概念。

实现环境：Windows 10 x64 21H1系统。程序运行时会将整个虚拟磁盘的内容全部读取到内存中进行修改，在内存中建立一个字节数组模拟硬盘的状态，仅当程序的开始和结束时加载和保存虚拟磁盘的状态，再将其写入到真实的外存中。因此，需要一个拥有足够内存的计算机，使其能够完全加载预设大小（1MB）的虚拟磁盘。但程序设计过程中没有使用到任何有关于操作系统的特性，因此在其他支持Rust语言的编译和运行的操作系统上理应也能正常运行。

设计过程

基本数据结构的构建

首先，需要建立数据模型，才能对磁盘和磁盘中的对象进行具体的描述和操作。宏观上的逻辑结构说明可以参照第五章内容。

目录数据结构

从最根本的FCB结构开始构建。为了简单，仅仅在FCB中记录了很少的信息：文件名、文件类型（文件或目录）、FCB指向的起始簇号、文件长度。

enum FileType {
    File,
    Directory,
}

struct Fcb {
    name: String,         // 文件名
    file_type: FileType,  // 文件类型
    first_cluster: usize, // 起始块号
    length: usize,        // 文件大小
}

有了目录项FCB，可以开始构建目录文件了，所有的FCB条目都在目录文件中进行储存。目录结构更加简洁，只记录了文件名和一个动态的FCB项列表，可以进行对于FCB项的增加和删除。

struct Directory {
    name: String,
    files: Vec<Fcb>,
}

新建目录时，目录文件的文件列表会被自动加入两个特殊文件：".." 和 "." ，分别是该目录父目录的FCB和该目录自己的FCB。根目录的父目录指向自己。这样不但方便定位，而且目录文件自己就包含了自身和父级的FCB信息，对如同修改目录文件自身信息的操作是至关重要的。

FAT表数据结构

FAT表即文件分配表(File Allocation Table)，其中每一个表项都对应了相应簇的使用情况。一个簇可能有四种情况：未被使用、指向下一个簇、坏簇和文件结束。就是这种自索引的表结构，让一个文件能够从最开始的簇号通过FAT表一直查找到文件的末尾，而不必在硬盘上物理的相邻，极大的提高了空间利用的效率。

enum FatItem {
    NotUsed,          // 未使用的簇
    ClusterNo(usize), // 指向下一个的簇号
    BadCluster,       // 坏簇
    EoF,              // 文件结束
}

这是一个通过Rust语言中的枚举结构表达的FAT表的表项。

虚拟硬盘数据结构

现在来创建一个虚拟磁盘的数据结构。FAT表在磁盘内已经预先分配了固定大小的空间，因此在软件实现上可以从储存数据的区域中独立出来，假设它不占用簇空间，仅仅在保存的时候才连带着整个磁盘一起写入虚拟磁盘文件。

struct Disk {
    fat: Vec<FatItem>,
    data: Vec<u8>,
}

impl Disk {
  fn new() -> Disk {
    Disk {
      // 创建FAT文件分配表
      fat: vec![FatItem::NotUsed; BLOCK_COUNT],

      // 数据区，初始值为0，块大小为1024.
      // 每一个块都有一个对应的FAT项
      // 所以真实的数据区域需要在总数中减去FAT项的数据大小保持硬盘大小
      data: vec![
        0u8;
        (BLOCK_COUNT - size_of::<FatItem>() * BLOCK_COUNT / BLOCK_SIZE - 1)
         * BLOCK_SIZE
      ],
    }
  }
}

Disk数据结构存在一个FAT项列表（Vec<FatItem>）和字节列表（Vec<u8>）。在新建该数据结构的实例时，首先初始化FAT表的每一项都是未使用状态，然后在数据区内减去FAT表所占用的磁盘空间。

单例模式

使用单例模拟单目录，并在里面实现各种文件系统操作所需要的各种功能函数。里面简单的包含了Disk虚拟硬盘对象和一个当前目录的对象，用于保存当前用户的操作状态。

struct DiskManager {
    disk: Disk,
    cur_dir: Directory,
}

磁盘簇操作

对上层建筑——文件和目录文件等对象的操作，最终还是要归化到最基础的簇操作上。本程序中使用簇号乘簇大小作为字节列表的索引来模拟簇。因为代码长到不适合打印，所以这里只介绍原理。

簇状态

簇是硬盘读写的基本单位。簇状态由FAT表进行标志，和簇的实际状态无关。例如，若FAT表中标识一个簇是未使用状态，那么不论这个簇中是否有实际数据，都被文件系统认为是空簇。这是该文件系统逻辑的基础。

写簇

要将一段完整的数据写入到硬盘簇中，首先需要处理FAT表。首先计算根据数据大小计算需要占用的簇数，然后在FAT表中查找到足够的未使用的簇。将簇标记改为到下一个簇的索引，最后一簇组改写为簇结束标记函数，这样一个文件的空间就在FAT表中被分配出来了。

下一个操作是把数据真正的写入到磁盘中。把一个整段的字节序列data分成以常量BLOCK_SIZE（值是1024，代表簇大小：一个簇所能储存的字节数）为大小的数据段，按照簇指针形成的链的顺序对每个簇写入数据，直到最后一个簇。若数据大小并非簇大小的整倍数，将在文件最后加上一个自定义的EoF标志（在程序中为常量EOF_BYTE，值是255），然后用0填充到簇大小的整数倍。

读簇

从FCB块中的首簇号开始读取，一直到簇的结束标记。截断最后一个簇中EOF标记和其以后的数据，否则会读入多余的数据。将每个簇的数据相加，就能得到一个完整的文件数据。

文件操作

文件

创建文件，如同3.2.2中所说的那样，先给文件的数据分配簇，然后写入磁盘。不过之后，还要创建一个新的包含指向该文件的首簇号数据的FCB，并把这个FCB添加到当前的目录文件的FCB列表中。

删除文件，只要找到这个文件所占用的所有簇的簇号，然后在FAT表中标记该簇为空，之后在目录中删除这个文件的FCB条目即可。没有特殊需求的话，不必真正的清空簇数据，否则会极大的降低性能。

重命名文件，改变那个文件的FCB中的文件名即可。

结果和分析

[INFO] Do you want to try to load file-sys.vd? [Y/N] n
[INFO] Will not load vd file from disk.

[INFO] Creating new disk...

==================================================
            IvanD's Basic File System
==================================================

Help:
    cd <dirname>: Change current dir.
    mkdir <dir name>: Create a new dir.
    ls : List all files and dir in current dir.
    cat <filename>: Show the file content.
    rm <filename>: Delete a file on disk.
    diskinfo : Show some info about disk.
    save : Save this virtual disk to file 'file-sys.vd'.
    exit : Exit the system.

Testing:
    test create: Create a random file to test.

System Inner Function:
    fn create_file_with_data(&amp;mut self, name: &amp;str, data: &amp;[u8])
    fn rename_file(&amp;mut self, old: &amp;str, new: &amp;str)
    fn delete_file_by_name(&amp;mut self, name: &amp;str)
    fn read_file_by_name(&amp;self, name: &amp;str) -> Vec<u8>

> ls

Directroy 'root' Files:
..      Directory   Length: 0
.       Directory   Length: 0

>

各组件经测试，在不输入错误的情况下运行良好，功能正常。

系统结构

这是一个单用户多级目录文件系统，以下将用一个简单的例子说明这几个之前提到的对象的关系。

如图1，说明了一个目录下有一个文件的目录在根目录下的情况。FAT表和硬盘簇号一一对应。根目录在第0簇，他的前两个FCB（应指向父级和自身的默认目录项）都指向第0簇，而后读出了他自己的数据——根目录文件。根目录下有一个指向另一个目录的FCB块，指向第1簇，读出第一簇数据后能够得到第二个目录对象。这个目录的第一个FCB指向第0簇，能够得到根目录对象，第二个FCB指向第2簇，能够得到这个目录对象本身。第三个FCB指向第3簇，通过FAT表跳转，得到了一个指向File的完整的以第3、5、6、7簇的数据的集合为内容的文件。

值得一提的是，"文件"其实只是一个逻辑上的实体，真正在储存器中存在的数据结构其实是FCB（提供文件名等文件信息和首簇）、FAT项（提供簇链）和硬盘簇（提供真实数据）。

使用说明

本程序使用命令行交互界面。目前可以输入以下命令：

cd <dirname>: 更改当前目录。
mkdir <dir name>: 新建目录。
ls : 列出当前目录下所有文件和目录。
cat <filename>: 显示文件内容。
rm <filename>: 删除文件。
diskinfo : 显示磁盘统计信息。
save : 保存当前虚拟磁盘到文件 'file-sys.vd'。
exit : 退出系统。

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