Ext2文件系统设计

项目介绍

学习了操作系统课程后，我对文件系统很感兴趣，因此，我花了几周的时间来设计和编写这个文件系统。希望读者在阅读我的代码后，能够对文件系统有一个更好的了解。由于文件系统的复杂性，为了保证效率，本项目采用c++语言编写，我设计了一个七层的架构来实现所有的功能。下面是系统架构图。

七层架构

架构分析

1. 物理层

在这一层中，所有的数据以文件的形式存储在Windows文件系统中。因为这是基于Windows操作系统的项目，必须遵循windows系统的规则，因此可以把它类比成一个虚拟磁盘。为了实现功能强大的文件系统，该的文件系统可以动态地改变长度。另外，该项目使用磁盘来存储数据，而不是内存。

物理存储

每个大磁盘块占用16MB（16 × 1024=16384）的空间。如果内存空间超过阈值，则会动态创建一个大磁盘块（如下图所示）。这16MB的空间总共包含4096个小块（每个小块是4KB），而小磁盘块则是存储数据的基本单位。

在一个16MB的块中，第一个小块包含磁盘的基本信息（如创建时间），第二个块包含磁盘块使用情况（位图表），并且第二个小块中只使用了前512个字节（4000位），因为4096代表一个大的16MB块中所有可用的小块。如果大的16MB磁盘块是4000的整数倍，比如0000000或0004000，那么这个大块中的第三个小块表示这4000个大磁盘的使用情况（位图表），同理，使用了前500字节。当一个大的磁盘块已满时，系统会创建一个大磁盘块来扩大虚拟磁盘空间。

这是该结构的示意图

虚拟磁盘结构

2. 磁盘驱动层

该层用于对虚拟磁盘进行操作（CRUD，包括增删改查）。它提供了一个接口，可以按块号操作磁盘，并能自动对虚拟磁盘扩容，这个类的一些代码段如下所示

class DiskPhysical {
private:
	DiskInformation __CreateDiskInformation(); 	// return disk information
	int __FindEmptyFromMap(char* DiskMapBlock);  	// find a empty small disk block by bitmap
	char* __GetDiskName(int number); 		// transform block number into real block path
	int __SearchNotExistName();  			// find a name that not exist in the disk block
public:
	DiskPhysical() {}
	char* ReadDisk(unsigned int block_num);  	// read virtual disk by block number
	void WriteDisk(unsigned int block_num, char* content);	// overwrite a block (overwrite)
	void CreateDisk();          			// create a new disk block
	unsigned int SearchEmpty();  			// search a empty disk block
	void AddToOccupy(unsigned int BlockNumber);  	// set occupy flag into bitmap
	void DelFromOccupy(unsigned int BlockNumber);//delete a occupy flag
	unsigned int GetLastDiskNum();
	DiskInformation getDiskInfo(int diskNum);
};

3. 缓冲层

这一层是一个缓冲区，以减少磁盘访问的频率。它具有与磁盘驱动器层相同的功能，但它会缓存数据。当再次访问同一个磁盘块时，磁盘缓冲区将使用缓存中的数据，而不是读取磁盘。

4. FCB层

Ext2文件系统的结构，记录inode和FCB信息，并提供读取FCD的接口。

这就是ext2 inode的数据结构

struct ext2_inode_physical { 		// each inode occupy 30 int size (120 bytes)
	unsigned int i_ABMS;      	// this 32 bits is:
	//0~2 bits: file mode. 0 is empty, 1 is directory, 1 is txt file 
	//3~11bits: authority. same as linux
	unsigned int i_uid;      	// file user id
	unsigned int i_size;      	// file size (only support maximum 4GB for a single file)
	unsigned int i_ctime;     	// create time
	unsigned int i_mtime;     	// change time 
	unsigned int blocks;	// the amount of iblock used
	char i_name[44];
	// filename, maximum for 38 bytes
	// 40 byte: whether last node is son or brother
	// 41 byte: for the last son or brother
	// 42 byte: for inter son pointer
	// 43 byte: for inter brother pointer
	unsigned int i_block[10];  	// data pointer, point to the data block
	unsigned int i_son_outer;   	// child inode location
	unsigned int i_brother_outer;	// brother inode location 
	unsigned int i_last_outer;   	// link back to it parent or right brother
};

每个inode需要120字节，每个inode使用二叉树的孩子兄弟表示法记录数据结构。因为每个小块是4096字节，所以它只能记录30个FCB信息。每当FCB数大于30的整数倍时，它将需要一个新的4096字节小块来储存FCB。下面是FCB如何包含物理磁盘块的示意图，在第一个磁盘块中有一个根FCB信息，它有第一个根FCB块位置。通过这个链条，可以找到磁盘块中的第一个FCB，并且可以通过孩子兄弟表示法逐个找到系统中的所有文件。

FCB顶层架构

这是inode结构，它有两种指针类型，一种是内部指针，另一种是外部指针。内部指针在连接4096字节块内部的FCB时使用，否则会使用外部指针。注意，一个块中的30个FCB必须在一个目录中，以保证正确性。

FCB连接

对于文件的数据连接结构，请看下图

inode中的数据块

5. 文件驱动层

本层提供了对文件按名操作的接口

本层的一些共有函数信息:

class FileStream {
public:
	FileStream(int userid);
	FileStream();
	fileInfo getRoot();
	
	int formatDisk();
	int getBatchSon(fileInfo* info, int number);
	int getBatchSon(int num, int offset, fileInfo* info, int length);
	void getPWD();
	int cdDirectory(const char* name);
	void setUid(int uid);
	int getUid();
	void depthDeduce();
	void depthToOne();
	void getNodeByName(const char* name, unsigned int* num, unsigned int* offset, i_FileMode mode);
	void showopen();

	int mk(char* name, int aut,i_FileMode mode);
	void openFile(char* name, fileOpenMode openMode);
	void closeFile(char* name);
	void writeFile(char* name, char* content, int length);
	char* readFile(char* name,int *length);
	void flush();
	void seekg(int pos, seek_mode mode);
	void seekp(int pos, seek_mode mode);
	void read(char *content, int length);

	void delFile(char* name);
	void moveFile(char* From, char* To);
};

6. 操作系统层

该层提供了可以按用户命令进行操作的接口，例如“ls”，“mkdir”等等

该层的一些代码片段:

class Command {
private:
	FileStream filestream;
	void __changeColor(i_FileMode mode);
	int uid;
public:
	Command();
	int login();
	int execute(char *command);
	void showPWD();
	int list(const char* method);
	int mkdir(char *name, const char *authority);
	int cd(const char *name);
	int del(const char* name);
	int open(const char*mode, const char* name);
	int write(const char* name, const char* content);
	int close(const char* name);
	int read(const char* name);
	int showopen();
};

7. 最顶层

主函数层，用于等待用户输入，并调用命令执行函数

项目展示

登录系统（用户名密码都是root）

系统初始化（创建空的虚拟磁盘块）

初始化

执行一些基本命令

命令执行

点击此处下载该项目。