操作系統(tǒng)課程設計報告多用戶、多級目錄結構文件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

1、課 程 設 計 報 告設計題目：多用戶、多級目錄結構文件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)班 級：組長學號：組長姓名：指導教師：設計時間：2015年7月設計分工組長學號及姓名： 分工：構建系統(tǒng)框架，實現(xiàn)磁盤i節(jié)點調入內存，以及內存i節(jié)點的申請分配與回收，新建文件和目錄，文件的讀寫組員1學號及姓名：分工：實現(xiàn)成組鏈接法分配與回收，實現(xiàn)用戶登陸和注銷，實現(xiàn)格式化初始化函數(shù)，參與系統(tǒng)界面的設計組員2學號及姓名：分工：組員3學號及姓名：分工：組員4學號及姓名：分工：摘要文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)用于明確存儲設備（常見的是磁盤，也有基于nand flash的固態(tài)硬盤）或分區(qū)上的文件的方法和數(shù)據(jù)結構；即在存儲設備上組織文件的方法。

2、操作系統(tǒng)中負責管理和存儲文件信息的軟件機構稱為文件管理系統(tǒng)，簡稱文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)由三部分組成：文件系統(tǒng)的接口，對對象操縱和管理的軟件集合，對象及屬性。從系統(tǒng)角度來看，文件系統(tǒng)是對文件存儲設備的空間進行組織和分配，負責文件存儲并對存入的文件進行保護和檢索的系統(tǒng)。具體地說，它負責為用戶建立文件，存入、讀出、修改、轉儲文件，控制文件的存取，當用戶不再使用時撤銷文件等。關鍵詞：操作系統(tǒng)，文件系統(tǒng)摘要31概述52課程設計任務與要求62.1設計任務62.2設計要求63算法及數(shù)據(jù)結構73.1算法的總體流程73.2超級塊83.2.1功能83.2.2數(shù)據(jù)結構83.2.3算法93.3磁盤i節(jié)點與內存i節(jié)點93.

3、3.1功能103.3.2數(shù)據(jù)結構103.3.3算法113.4文件夾操作123.4.1功能133.4.2數(shù)據(jù)結構133.4.3算法133.5文件的操作143.5.1功能153.5.2數(shù)據(jù)結構153.5.3算法154程序設計與實現(xiàn)164.1程序流程圖174.2程序說明174.3實驗結果235結論246參考文獻257收獲、體會和建議261概述unix采用樹型目錄結構，每個目錄表稱為一個目錄文件。一個目錄文件是由目錄項組成的。每個目錄項包含16b，一個輔存磁盤塊(512b)包含32個目錄項。在目錄項中，第1、2字節(jié)為相應文件的外存i節(jié)點號，是該文件的內部標識；后14b為文件名，是該文件的外部標識。所以

4、，文件目錄項記錄了文件內、外部標識的對照關系。根據(jù)文件名可以找到輔存i節(jié)點號，由此便得到該文件的所有者、存取權、文件數(shù)據(jù)的地址健在等信息。unix的存儲介質以512b為單位劃分為塊，從0開始直到最大容量并順序加以編號就成了一個文件卷，也叫文件系統(tǒng)。unix中的文件系統(tǒng)磁盤存儲區(qū)分配圖如下：0#1#2#k#k+1#k+2#k+3#n#i節(jié)點區(qū)文件存儲區(qū)引導區(qū)管理區(qū)本次課程設計是要實現(xiàn)一個簡單的模擬unix文件系統(tǒng)。我們在磁盤中申請一個二進制文件模擬unix內存，依次初始化建立位示圖區(qū)，i節(jié)點區(qū)，數(shù)據(jù)塊區(qū)。并給已打開的文件建立文件打開表。本文件系統(tǒng)采用兩級目錄，其中第一級對應于用戶賬號，第二級對應

5、于用戶帳號下的文件。另外，為了簡便文件系統(tǒng)未考慮文件共享，文件系統(tǒng)安全以及管道文件與設備文件等特殊內容。 首先應確定文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構：主目錄、子目錄及活動文件等。主目錄和子目錄都以文件的形式存放于磁盤，這樣便于查找和修改。用戶創(chuàng)建的文件，可以編號存儲于磁盤上。如：file0,file1,file2并以編號作為物理地址，在目錄中進行登記。2課程設計任務與要求2.1設計任務多用戶、多級目錄結構文件系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。2.2設計要求1、在深入理解操作系統(tǒng)基本原理的基礎上，對于選定的題目，以小組為單位，先確定設計方案；2、設計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構和程序結構，設計每個模塊的處理流程。要求設計合理；3、編程序實

6、現(xiàn)系統(tǒng)，要求實現(xiàn)可視化的運行界面，界面應清楚地反映出系統(tǒng)的運行結果；4、確定測試方案，選擇測試用例，對系統(tǒng)進行測試；5、運行系統(tǒng)并要通過驗收，講解運行結果，說明系統(tǒng)的特色和創(chuàng)新之處，并回答指導教師的提問；6、提交課程設計報告。3算法及數(shù)據(jù)結構3.1算法的總體流程3.2超級塊3.2.1功能 超級塊位于塊組的最前面，描述文件系統(tǒng)整體信息的數(shù)據(jù)結構，主要描述文件系統(tǒng)的目錄和文件的靜態(tài)分布情況，以及描述文件系統(tǒng)的各種組成結構的尺寸、數(shù)量等。3.2.2數(shù)據(jù)結構/超級塊#define nicfree 50/成組鏈接法中的每組50塊#define nicinod 50/超級塊中空閑節(jié)點的最大塊typedef

7、 structunsigned short s_isize;/索引節(jié)點塊塊數(shù)unsigned long s_fsize;/數(shù)據(jù)塊塊數(shù)unsigned int s_nfree;/空閑塊塊數(shù)unsigned short s_pfree;/棧深unsigned int s_freenicfree;/空閑塊堆棧unsigned int s_ninode;/空閑索引節(jié)點數(shù)unsigned short s_pinode;/空閑索引節(jié)點指針unsigned int s_inodenicinod;/空閑索引節(jié)點數(shù)組unsigned int s_rinode;/銘記索引節(jié)點char s_fmod;/超級塊修改標

8、志filsys;#endif3.2.3算法3.3磁盤i節(jié)點與內存i節(jié)點3.3.1功能linux中，文件查找不是通過文件名稱來查找的。實際上是通過i節(jié)點來實現(xiàn)文件的查找定位的。我們可以形象的將i節(jié)點看做是一個指針。當文件存儲到磁盤上去的時候，文件肯定會存放到一個磁盤位置上，i節(jié)點其實就是可以這么認為，把i節(jié)點看作是一個指向磁盤上該文件存儲區(qū)的地址。事實上，i節(jié)點不僅包含了文件數(shù)據(jù)存儲區(qū)的地址，還包含了很多信息，比如數(shù)據(jù)大小，等等文件信息。文件名是保存在一個目錄項中。每一個目錄項中都包含了文件名和i節(jié)點。我們可以通過一個圖來看看目錄項，i節(jié)點，文件數(shù)據(jù)四者之間的關系。3.3.2數(shù)據(jù)結構/內存i節(jié)點

9、#define naddr 10/每個i節(jié)點最多指向10塊typedef struct inodestruct inode *i_forw;char i_flag; unsigned int i_ino;/磁盤索引節(jié)點編號unsigned int i_count;/引用計數(shù)unsigned short di_number;/關聯(lián)計數(shù)unsigned short di_mode;/文件模式unsigned short di_uid;/所屬用戶unsigned short di_gid;/所屬用戶組unsigned long di_size;/文件大小unsigned short di_addrn

10、addr;/物理塊號inode;/磁盤索引節(jié)點#define naddr 10/每個i節(jié)點最多指向10塊typedef struct unsigned short di_number;/關聯(lián)文件數(shù)unsigned short di_mode;/存取權限unsigned short di_uid;/所屬用戶unsigned short di_gid;/所屬用戶組unsigned long di_size;/文件大小unsigned short di_addrnaddr;/物理塊號dinode; 開始3.3.3算法n 結束y返回該i節(jié)點的指針查看磁盤i節(jié)點在內存利用iget（）函數(shù)將磁盤i節(jié)點調入

11、內存插入到hash鏈表中從當前目錄查找文件名對應的磁盤i節(jié)點編號3.4文件夾操作3.4.1功能新建一個文件夾，文件夾的跳轉，當前目錄下的文件展示。對應的函數(shù)原型為：void _dir()/顯示當前目錄列表； void mkdir(char *dirname)/目錄創(chuàng)建函數(shù)； void cd(char *dirname)/跳轉到指定目錄下；3.4.2數(shù)據(jù)結構/目錄結構#define dirnum 128/每個目錄所包含的最大文件數(shù)typedef struct direct directdirnum;/最大存儲128個文件int size;/實際文件的個數(shù)dir;/目錄項結構#define dir

12、siz 14/每個目錄項文件名所占字節(jié)數(shù)typedef struct char d_namedirsiz;/目錄名unsigned short d_ino;/目錄對應的磁盤i節(jié)點編號direct;3.4.3算法 總得來說就是根據(jù)目錄的數(shù)據(jù)結構，再結合i節(jié)點去實現(xiàn)對文件夾的操作。顯示列表函數(shù)：因為我們的direct數(shù)據(jù)結構里每次保存的都是當前目錄下的列表，所以調用_dir()函數(shù)就等于把當前direct結構里的文件名顯示出來。新建一個文件夾：創(chuàng)建一個目錄時，先申請一個內存i節(jié)點，再分配相應的磁盤i節(jié)點，在當前目錄表中進行登記，初始化自己的一些信息，記錄該目錄的上級目錄，跳轉的時候要用到。文件夾跳

13、轉：因為在新建的時候已經把當前目錄的上級目錄給記錄下來，所以只需找到上級目錄的磁盤i節(jié)點信息，然后保存當前目錄，調出上級目錄的磁盤i節(jié)點，再重新顯示上級目錄的列表信息。3.5文件的操作3.5.1功能新建一個文件，我們可以對其進行讀、寫、刪除操作。關閉文件之后如果還想對其進行讀、寫、刪除操作，那么我們就要重新打開文件，即將其i節(jié)點信息先調入內存。具體函數(shù)原型如下：int create(int user_id,char *filename,short mode)/返回值代表用戶打開文件的編號；int open(int user_id,char *filename,short openmode)/從

14、用戶打開文件表找到系統(tǒng)打開文件表再找到文件的i節(jié)點；void close(int user_id,int fd1)/修改一下系統(tǒng)打開文件表和用戶打開文件表；bool _delete(char *filename)/更新目錄表，釋放i節(jié)點；int read(int fd1,char *&buf,int size)/讀文件操作；int write(int fd1,char *buf,int size)/文件內存i節(jié)點指針，數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)大?。?.5.2數(shù)據(jù)結構/系統(tǒng)打開表#includeinode.htypedef structunsigned short f_flag;/文件操作標志unsigned

15、 int f_count;/引用計數(shù)inode *f_inode;/指向內存索引節(jié)點unsigned long f_off;/讀寫指針file;#endif3.5.3算法總得來說就是根據(jù)系統(tǒng)打開文件表去找到內存i節(jié)點指針，只有找到了內存i節(jié)點指針才能對文件進行操作。創(chuàng)建一個新的文件：先查看要創(chuàng)建的這個名字是否存在，若存在就不允許在繼續(xù)創(chuàng)建了，因為不允許重名是文件系統(tǒng)的基本要求。若不存在就說明允許創(chuàng)建此文件。先申請一個內存i節(jié)點，在當前目錄表中進行登記，在系統(tǒng)打開文件表中也進行登記一下，返回該文件在系統(tǒng)打開文件表的位置，以便將接下來進行讀寫操作。打開一個文件：當我們把一個文件關閉之后又想繼續(xù)對此

16、文件進行操作就必須先把文件的i節(jié)點信息調入內存。關閉一個文件：當我們對一個文件讀寫完畢之后，不想再對此文件操作，出于保護的目的，防止別的用戶找到我們的內存i節(jié)點信息，就需要我們把該文件的i節(jié)點信息從內存里注銷掉，即關閉一個文件。刪除一個文件：更新目錄表，釋放i節(jié)點。釋放i節(jié)點信息時還要考慮有沒有被別的用戶關聯(lián)。讀一個文件：從系統(tǒng)打開文件表中獲取內存i節(jié)點信息，找到其對應的文件物理塊信息，將其讀入到內存并顯示出來。寫一個文件：從系統(tǒng)打開文件表中找到內存i節(jié)點信息，獲取相應的物理磁盤塊的分配情況以及文件的訪問模式（涉及到權限問題），根據(jù)將要寫入的信息的大小為其分配相應的磁盤塊，寫入之后保存。4程序

17、設計與實現(xiàn)4.1程序流程圖 結束4.2程序說明運行程序，首先跳出界面為一個歡迎界面，如圖4-1所示： 圖4-1運行程序歡迎界面點擊確定進入用戶登陸界面，如圖4-2所示：（第一次必須格式化登陸）圖4-2用戶登陸界面格式化登陸后的界面如圖4-3所示： 圖4-3用戶操作界面新建文件夾界面，如圖4-3-1所示： 圖4-3-1新建文件夾界面 新建文件界面，如圖4-3-2所示：（單選按鈕一定要選到文件，然后再點擊新建。本來想實現(xiàn)文件夾一個圖片，文件一個圖片，能力有限沒有實現(xiàn)） 圖4-3-2用戶新建文件界面 單擊想要刪除的文件夾，單擊之后點擊刪除文件夾按鈕，會彈出一個對話框，詢問是否刪除。點是就會刪除，點取

18、消就會取消。界面如圖4-4所示：圖4-4刪除文件夾操作界面新建一個文件之后，我們可能要對其進行讀、寫、刪除操作，單擊文件會彈出功能對話框讓你進行選擇。例如我們新建了一個名字為su的文件，當我們單擊這個文件的時候就會彈出一個界面，界面如圖4-5所示： 圖4-5用戶對文件操作功能選擇界面如果我們選擇了寫功能，就在目錄右邊的編輯框里輸入我們想要寫入的信息，寫完之后點擊輸入完畢，即可保存。界面效果如圖4-5-1所示： 圖4-5-1寫操作界面提示如果我們選擇了讀功能，他會讀出文件內容并顯示在目錄右邊的編輯框里，這個時候我們可以在其后面追加信息，追加完畢之后點擊輸入完畢按鈕，即可保存我們追加的信息，這個算

19、是隱藏的功能。別如我們在寫文件時對su這個文件寫了“我是東北大學的一名學生”，在讀的時候就應該讀出剛才寫的信息。界面如圖4-5-2所示： 圖4-5-2用戶讀文件界面如果我們選擇了刪除文件的功能，那我們就會刪除該文件，不在記錄中出現(xiàn)。比如我們要刪除su這個文件，點完確定之后再次顯示該目錄列表時就不會顯示出su這個文件。界面如圖4-5-3所示： 圖4-5-3用戶刪除一個文件操作停機按鈕，是我們最后退出程序的時候，要對我們的信息進行一下保存。保存到相應的文件中，以便下次非格式化登陸時能讀取出來信息。這個就不用界面來演示了。隱藏的功能還有文件夾的跳轉，這個我們在實現(xiàn)的時候就是想做到跟windows一樣

20、雙擊文件夾進入文件夾里面顯示里面的內容，然后我們根據(jù)mfc利用雙擊函數(shù)實現(xiàn)了類似windows的文件跳轉功能，這個地方有必要說明一下。 另外，多用戶登陸和切換用戶這個地方也有實現(xiàn)，但是功能比較低級就不再演示。4.3實驗結果 我們的系統(tǒng)基本實現(xiàn)了老師的要求，多用戶下的多級目錄，用戶登陸和退出，系統(tǒng)的初始化，文件的創(chuàng)建，文件的打開，文件的讀，文件的寫，文件的關閉，刪除文件，創(chuàng)建目錄，改變目錄，列出文件目錄，格式化登陸，以及非格式化登陸。其實實驗結果在程序說明的時候已經舉出了實例，我們這里不再重復說明，只說在說明里沒有提到的非格式化登陸一個用戶。指定用戶名3966,用戶密碼20123966。假定在m

21、ain目錄里創(chuàng)建一個文件夾3966，跳轉到3966文件夾里，在3966文件夾里創(chuàng)建一個名字叫3966的文件（邏輯上是可以的，實際上我們也實現(xiàn)了），對這個文件進行寫操作，寫入“我們是東北大學的學生，來自計算機1206班，我們班的學生操作系統(tǒng)課設都做的可好了。我們是東北大學的學生，來自計算機1206班，我們班的學生操作系統(tǒng)課設都做的可好了。我們是東北大學的學生，來自計算機1206班，我們班的學生操作系統(tǒng)課設都做的可好了。我們是東北大學的學生，來自計算機1206班，我們班的學生操作系統(tǒng)課設都做的可好了。我們是東北大學的學生，來自計算機1206班，我們班的學生操作系統(tǒng)課設都做的可好了。我們是東北大學的

22、學生，來自計算機1206班，我們班的學生操作系統(tǒng)課設都做的可好了。我們是東北大學的學生，來自計算機1206班，我們班的學生操作系統(tǒng)課設都做的可好了。（重復7遍，內容盡量多一點）”。停機之后，我們非格式化登陸，依然可以找到這些信息。這一點老師在驗收的時候已經看到了，所以就不再繼續(xù)展示了。5結論操作系統(tǒng)課程設計是本課程重要的實踐教學環(huán)節(jié)。課程設計的目的，一方面使學生更透徹地理解操作系統(tǒng)的基本概念和原理，使之由抽象到具體；另一方面，通過課程設計加強學生的實驗手段與實踐技能，培養(yǎng)學生獨立分析問題、解決問題、應用知識的能力和創(chuàng)新精神。與本課程的實驗教學相比，課程設計獨立設課，具有更多的學時，給學生更多自

23、行設計、自主實驗的機會，充分放手讓學生真正培養(yǎng)學生的實踐動手能力，全面提高學生的綜合素質?，F(xiàn)代操作系統(tǒng)都有文件管理功能，通過本次操作系統(tǒng)的課程設計我對于c+語言中的磁盤文件輸入和輸出操作的運用有了很大的進步，基本搞懂了操作系統(tǒng)中文件的管理方法和文件的讀取方式。同時也對于操作系統(tǒng)中的文件存取方式，文件的邏輯結構和文件在系統(tǒng)中的存儲方法有了比較清晰的理解。在本次實驗中開始的時候遇到了很多困難，比如對人文件的存儲方式，怎樣管理多用戶下的文件都不了解，但是通過看書、網上查資料有了了解。通過開始的簡單的實現(xiàn)一兩個模塊來慢慢的前進，最終基本實現(xiàn)了系統(tǒng)的設計，雖然還是有一些缺陷但是已經比較接近指導書上的要求

24、。6參考文獻1. 徐虹等編著.操作系統(tǒng)實驗指導基于linux內核.北京: 清華大學出版社.2004.2. 陳向群等編著. windows內核實驗教程. 北京: 機械工業(yè)出版社.2002.3. 周蘇等編著. 操作系統(tǒng)原理實驗. 北京: 科學出版社.2003.4. 張堯學編著. 計算機操作系統(tǒng)教程習題解答與實驗指導. 北京: 清華大學出版社.2000.5.msdn幫助文檔7收獲、體會和建議 操作系統(tǒng)是計算機科學與技術領域中最為活躍的學科之一，因而操作系統(tǒng)課程也自然是計算機專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎課。操作系統(tǒng)課程內容綜合了基礎理論教學、課程實踐教學、最新技術追蹤等多項內容。但由于操作系統(tǒng)的高度復雜性，

25、使得它成為專業(yè)課中最難學的課程之一。通過對操作系統(tǒng)原理的學習，要求理解操作系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)中的作用、地位和特點，熟練掌握和運用操作系統(tǒng)在進行計算機軟硬件資源管理和調度時常用的概念、方法、策略、算法、手段等。 操作系統(tǒng)課程概念多、內容廣、難度大，抽象強。因此，操作系統(tǒng)課程的學習面臨這樣一些難題：如何形象化地學習和理解抽象的操作系統(tǒng)概念及原理，如何緊跟飛速發(fā)展的操作系統(tǒng)技術。為了解決這些問題，我們認為不但要學好操作系統(tǒng)原理，還要加強操作系統(tǒng)實驗。操作系統(tǒng)實驗可幫助學生理論聯(lián)系實際，鞏固和復習所學過的操作系統(tǒng)概念與原理；也增強學生的實踐能力，培養(yǎng)學生的動手能力，提高學生綜合分析問題和解決問題的能力。 linux是目前常用的流行操作系統(tǒng)之一，其最大的特點是開放源代碼。使用linux操作系統(tǒng)和分析nux內核代碼是學習操作系統(tǒng)課程的很好選擇。通過對linux操作系統(tǒng)內核源代碼的分析和實踐，可以幫助學生對操作系統(tǒng)的用戶界面和編程界面、體系結構、各組成部分的實現(xiàn)技術等，有更深入的整體認識；幫助學生進一步掌握操作系統(tǒng)原理。linux內核的學習可以分兩個階段：在linux內核分析階段，通過閱讀linux內核源代碼，改變部分內核源程序，改變系統(tǒng)行為，從而學習操作系統(tǒng)各個組成部分的實現(xiàn)機理，鞏固操作系統(tǒng)原理知識。在linux內核改進階段，通過深人、綜合分析linux操作系統(tǒng)的實現(xiàn)機理，通過一定