操作系統 4.5-文件使用磁盤的實現

通過文件進行磁盤操作入口

// 在fs/read_write.c中
int sys_write(int fd, const char* buf, int count)
{struct file *file = current->filp[fd];struct m_inode *inode = file->inode;if (S_ISREG(inode->i_mode))return file_write(inode, file, buf, count);
}

進程控制塊（PCB）：
- current 是指向當前進程控制塊（PCB）的指針。PCB 包含了進程的所有信息，包括打開的文件列表。
文件指針數組（filp）：
- current->filp[fd] 訪問當前進程的文件指針數組，獲取與文件描述符 fd 關聯的 file 結構。
文件結構（file）：
- struct file 包含了打開文件的所有信息，包括指向 inode 的指針。
inode 結構：
- struct m_inode 是文件的元數據結構，包含了文件的屬性（如權限、大小、數據塊位置等）。
- inode->i_mode 包含了文件的類型和權限信息。
文件寫入操作：
- file_write(inode, file, buf, count) 是實際執行文件寫入操作的函數，它將 buf 中的 count 字節數據寫入到由 inode 和 file 描述的文件中。
文件類型檢查：
- S_ISREG(inode->i_mode) 檢查 inode 表示的是否是一個普通文件。如果是，才執行寫入操作。
數據流和控制流：
- 圖中展示了從 write(fd) 調用開始，通過 PCB 和文件表，最終訪問到 inode 和數據盤塊的過程。

File_write

工作流程分析

確定要寫入的字符段：
- 首先，需要確定要寫入文件的字符段。這通常由文件的讀寫指針決定，該指針指示了文件中的當前位置。通過修改這個指針（例如使用 fseek），可以改變寫入的起始位置，然后加上要寫入的字符數量（count）來確定結束位置。
找到要寫的盤塊號：
- 確定了要寫入的字符段后，下一步是找到這些字符對應的磁盤塊號。這是通過文件的 inode 結構來實現的，inode 包含了文件的元數據，包括文件數據塊的位置信息。
形成寫入請求并執行寫入：
- 使用找到的盤塊號和要寫入的數據（buf），形成一個寫入請求（request），然后將這個請求放入磁盤調度算法（如電梯算法）中進行處理，以優化磁盤I/O操作。

函數參數解釋：

inode：
- 這是一個指向文件的 inode 結構的指針。inode 包含了文件的元數據，如文件類型、權限、所有者、文件大小以及指向文件數據塊的指針等。在寫入操作中，inode 用于查找文件數據塊的位置。
file：
- 這是一個指向文件結構的指針。文件結構包含了打開文件的所有信息，包括文件狀態標志、文件的讀寫指針等。在寫入操作中，file 結構用于獲取文件的當前位置和狀態。
buf：
- 這是一個指向要寫入文件的數據緩沖區的指針。buf 包含了實際要寫入文件的數據。
count：
- 這是一個整數，表示要寫入文件的字節數。count 與 buf 參數一起，指定了要寫入文件的數據量。

實現

以下是帶有詳細注解的 file_write 函數代碼，解釋了每一部分的功能和作用：

// file_write函數用于將數據從用戶緩沖區寫入到文件對應的磁盤塊中
int file_write(struct m_inode *inode, struct file *filp, char *buf, int count)
{off_t pos; // 定義一個變量pos，用于記錄寫入文件的起始位置
?// 根據文件的讀寫標志（O_APPEND）和當前文件位置（filp->f_pos）確定寫入的起始位置if (filp->f_flags & O_APPEND)pos = inode->i_size; // 如果設置了追加標志，則從文件末尾開始寫入elsepos = filp->f_pos; // 否則，從文件當前位置開始寫入
?// 當還有字節需要寫入時，繼續循環while (i < count) {block = create_block(inode, pos / BLOCK_SIZE); // 創建或分配一個新的磁盤塊bh = bread(inode->i_dev, block); // 讀取指定的磁盤塊到內存中，并將塊地址存儲在bh中
?int c = pos % BLOCK_SIZE; // 計算當前塊內的偏移char *pc = c + bh->b_data; // 計算內存中塊數據區域的起始地址bh->b_dirt = 1; // 標記塊為臟塊，表示該塊已被修改，需要寫回磁盤c = BLOCK_SIZE - c; // 計算剩余需要寫入的字節數pos += c; // 更新文件位置
?// 將用戶緩沖區buf中的數據逐字節寫入到內存中的塊數據區域bh->b_datawhile (c-- > 0)*(pc++) = get_fs_byte(buf++);
?brelse(bh); // 釋放緩沖區，將其返回到緩沖區管理中}
?filp->f_pos = pos; // 更新文件的當前位置
}

確定寫入位置：
- 通過檢查文件的讀寫標志和當前文件位置，確定寫入操作的起始位置。
循環寫入數據：
- 使用 while 循環，根據要寫入的字節數 count，逐塊寫入數據。
創建和讀取磁盤塊：
- create_block 函數用于創建或分配一個新的磁盤塊。
- bread 函數用于讀取指定的磁盤塊到內存中，并將塊地址存儲在 bh（緩沖頭）中。
計算塊內偏移和剩余字節數：
- 計算當前塊內的偏移 c 和剩余需要寫入的字節數。
寫入數據：
- 將用戶緩沖區 buf 中的數據逐字節寫入到內存中的塊數據區域 bh->b_data。
標記塊為臟塊：
- 將 bh->b_dirt 設置為 1，表示該塊已被修改，需要寫回磁盤。
釋放緩沖區：
- 使用 brelse 函數釋放緩沖區，將其返回到緩沖區管理中。
更新文件位置：
- 更新文件的當前位置 filp->f_pos，以便后續操作可以從正確的位置開始。

通過這些步驟，file_write 函數實現了將用戶數據寫入文件的完整過程，包括確定寫入位置、創建和讀取磁盤塊、寫入數據、標記塊為臟塊以及更新文件位置等。

Create_block

圖中展示了 create_block 函數和 _bmap 函數的代碼，這些函數用于在文件系統中創建和映射磁盤塊。以下是提取的代碼和注解：

提取的代碼：

// create_block函數用于根據inode和塊號分配或創建一個新的磁盤塊
int create_block(struct m_inode *inode, int block)
{while (i < count) {block = create_block(inode, pos / BLOCK_SIZE);bh = bread(inode->i_dev, block);}
?int _bmap(m_inode *inode, int block, int create){if (block < 7) {if (create && !inode->i_zone[block]) {inode->i_zone[block] = new_block(inode->i_dev);inode->i_ctime = CURRENT_TIME;inode->i_dirt = 1;}return inode->i_zone[block];}block -= 7;if (block < 512) {bh = bread(inode->i_dev, inode->i_zone[7]);return (bh->b_data)[block];}}
}

代碼注解：

create_block函數：
- 這個函數用于根據給定的 inode 和塊號 block 分配或創建一個新的磁盤塊。
- 它通過調用 _bmap 函數來實現塊的映射和創建。
_bmap函數：
- 這是一個輔助函數，用于處理塊號的映射。
- 它首先檢查塊號是否小于7，這7個塊號直接存儲在 inode 的 i_zone 數組中。
- 如果塊號小于7，并且需要創建新塊（create 為真且當前塊號未分配），則調用 new_block 函數分配新塊，更新 inode 的 i_ctime 和 i_dirt 標志。
- 如果塊號大于等于7且小于512，表示這是一個一重間接塊，需要讀取間接塊表并找到對應的塊號。
new_block函數：
- 這個函數用于分配一個新的磁盤塊。具體實現未在圖中展示，但通常涉及查找空閑塊、分配塊號等操作。
bread函數：
- 這個函數用于讀取指定的磁盤塊到內存中。它將塊地址存儲在 bh（緩沖頭）中，以便后續操作。

總結：

這段代碼實現了文件系統中磁盤塊的分配和映射機制。通過 create_block 和 _bmap 函數，系統可以根據文件的 inode 和塊號動態分配和映射磁盤塊。這種機制支持文件的動態增長和高效的磁盤空間管理。

通過間接塊表（如一重間接和二重間接塊表），文件系統還可以支持非常大的文件，即使單個文件的數據量超過了直接塊表所能表示的范圍。

m_inode

圖中展示了與設備文件的 inode 結構相關的代碼，以及如何通過 sys_open 函數打開設備文件。以下是提取的代碼和注解：

提取的代碼：

// m_inode結構體定義，用于表示設備文件的inode
struct m_inode {unsigned short i_mode; // 文件的類型和屬性unsigned short i_zone[9]; // 指向文件內容數據塊struct task_struct *i_wait; // 多個進程共享的打開這個inode，有的進程等待...unsigned short i_count; // unsigned char i_lock; // unsigned char i_dirt; // 
};
?
// sys_open函數用于打開文件或設備
int sys_open(const char* filename, int flag)
{if (S_ISCHR(inode->i_mode)) { // 檢查是否為字符設備文件if (MAJOR(inode->i_zone[0]) == 4) { // 檢查設備文件類型current->tty = MINOR(inode->i_zone[0]); // 設置當前進程的tty}}
}
?
// 宏定義，用于從設備號中提取主設備號和次設備號
#define MAJOR(a) ((((unsigned)(a)) >> 8)) // 取高字節
#define MINOR(a) ((a) & 0xff) // 取低字節

代碼注解：

m_inode結構體：
- i_mode：表示文件的類型和屬性，例如普通文件、目錄、字符設備等。
- i_zone：一個數組，用于存儲指向文件內容數據塊的指針或設備號等信息。
- i_wait：指向等待該inode的進程的task_struct結構體。
- i_count：表示當前有多少個進程打開了該inode。
- i_lock：用于控制對inode的訪問，防止并發訪問導致的問題。
- i_dirt：表示inode是否被修改，需要寫回磁盤。
sys_open函數：
- 該函數用于打開文件或設備。
- S_ISCHR(inode->i_mode)：檢查文件是否為字符設備文件。
- MAJOR(inode->i_zone[0]) 和 MINOR(inode->i_zone[0])：從設備號中提取主設備號和次設備號。
- current->tty：設置當前進程的tty（終端設備）。
宏定義：
- MAJOR(a)：從設備號中提取主設備號（高字節）。
- MINOR(a)：從設備號中提取次設備號（低字節）。

總結：

這段代碼展示了如何使用 m_inode 結構體來表示設備文件的inode，并演示了如何通過 sys_open 函數打開設備文件。

文件視圖的兩條路

讀寫磁盤的過程：

用戶發起文件操作
- 用戶通過 write 或 read 系統調用操作文件。
- 傳遞參數：文件描述符（FD）、內存緩沖區（buff）、操作字節數（count）。
系統調用轉換
- write 調用內核中的 sys_write，read 調用 sys_read。
- 需要獲取文件的 inode（索引節點）信息。
計算目標磁盤塊
- 通過文件結構 file 獲取文件指針 f_pos，確定字符流中的位置。
- 根據 inode 及索引結構，計算出對應的磁盤塊號（block）。
- 采用直接索引、一級索引、二級索引等方式解析出數據塊。
磁盤操作
- 讀操作：調用 bread() 讀取磁盤數據到緩存，再復制到用戶緩沖區。
- 寫操作：調用 bwrite() 將用戶緩沖區數據寫入磁盤緩存，并同步到磁盤。
磁盤調度與完成
- 磁盤請求加入電梯調度隊列。
- 設備驅動完成磁盤讀寫，系統中斷通知完成。
- 若是寫操作，需更新 f_pos 以維護文件流的連續性。

輸出到顯示器的過程：

用戶發起輸出請求
- 例如 printf()、write(1, buff, count)，其中 1 代表標準輸出（stdout）。
系統調用轉換
- 進入內核，調用 sys_write 處理。
- 識別文件描述符 1 代表標準輸出（顯示器）。
數據傳輸到終端設備
- 由于 stdout 不是磁盤文件，而是字符設備，直接走 tty 終端驅動。
- 終端驅動 tty_write 處理輸出，將數據放入 tty 緩沖區。
驅動程序與硬件交互
- tty 設備驅動調用 console_driver，執行 putc() 逐字符輸出到屏幕。
- 可能涉及 VGA、framebuffer 或 UART 串口等設備。
顯示完成
- 終端驅動完成數據輸出，可能觸發屏幕刷新或回顯。
- 若是行緩沖模式，遇到 \n 或緩沖區滿才實際輸出。