实验六 磁盘文件管理的模拟实现
- 实验目的
文件系统是操作系统中用来存储和管理信息的机构，具有按名存取的功能，不仅能方便用户对信息的使用，也有效提高了信息的安全性。本实验模拟文件系统的目录结构，并在此基础上实现文件的各种操作方法。
通过本实验，深入理解文件和目录的作用和功能，熟悉与文件有关的系统调用，从而更好地掌握文件系统功能。
- 实验内容
编程模拟实现磁盘文件管理。采用单级目录结构，存放用户的所有文件，系统提供创建文件、打开文件、读文件、写文件、关闭文件、删除文件命令。
（1）文件存储空间的分配采用位示图进行管理，该部分内容请参考实验5。磁盘信息如下：
现有一个磁盘组，共有8个柱面。每个柱面有4个磁道，每个磁道又划分成4个物理盘块，假设1个磁盘块大小为128B。磁盘的空间使用情况用位示图表示。位示图用若干个字构成，每一位对应一个磁盘块。“1”表示占用，“0”表示空闲。假定字长为16位，一个字可用来模拟磁盘的一个柱面。位示图的初始状态为第1个字为“1”，其他全部空闲。
（2）文件目录采用单级目录结构。整个文件系统中只建立一张文件目录表UFD，每个文件占一个目录项，目录项中含文件名、文件保护方式、文件长度等属性。
| 文件名 | 文件保护方式 | 文件当前长度 | 文件最大长度 | 文件所在地址 |
图1 用户文件目录表UFD
文件所在地址存放文件分配的磁盘块号。
文件保护方式：1表示文件可读，2表示文件可写，3表示文件可读写执行。
（3）系统建立一张用户打开文件表（UOF），用以记录系统当前正在使用的文件。假定最多允许打开4个文件，该表应设置4项。当打开文件个数超过4个时，应给出错误信息。用户打开文件表（UOF）的结构如下图所示。
图2 用户打开文件表（UOF）
图2中:
“文件操作方式”是指文件打开后要执行的操作
“状态”指用户打开文件表的各个表项为空表目或被占用。
读写指针用来指出对文件的存取位置。初始状态下，读指针=1，写指针=文件长度（追加写）。
（4）该文件系统提供6条命令：创建、打开、读、写、关闭、删除。各命令说明如下。
- 创建一个文件，当用户要在磁盘上建立一个文件时，首先使用create命令向系统提出创建文件的请求：
fd= create(文件名，文件最大字节长度，文件保护方式);
例如：
fd= create(myfile1，200，2);
由文件最大长度计算出文件应占用的磁盘块数，然后为文件分配空间，并登记在用户文件目录表UFD中，同时登记在UOF表中。
不成功，返回-1； 成功返回文件描述符，即在UOF表中的序号。
- 写文件命令 (文件描述符或文件名)
write(文件描述符或文件名，要写的字节个数);
例如：
write(myfile1,100); 模拟100个字节信息写入文件中。
不成功，返回-1，成功返回写入的字节个数
- 打开文件命令
fd= open(文件描述符或文件名，操作方式);
例如：fd=open（a.txt）;
不成功，返回-1； 成功返回文件描述符，即在UOF表中的序号。
- 读文件命令(选做)
read(文件描述符或文件名，要读的字节个数);
不成功，返回-1； 成功返回读取的字节个数
- 关闭文件命令
close(文件描述符或文件名);
不成功，返回-1； 成功返回0
- 删除文件命令
delete(文件名);
不成功，返回-1； 成功返回0
三. 测试用例
【1】创建文件，记录各个数据结构情况
以下将创建6个文件，且包含3种文件保护方式，文件大小不完全相同。
（1）创建文件f1，文件大小 = 5，文件保护方式 = 3。
（2）创建文件f2，文件大小 = 5，文件保护方式 = 3。
（3）创建文件f3，文件大小 = 10，文件保护方式 = 3。
（4）创建文件f4，文件大小 = 5，文件保护方式 = 1。
（5）创建文件f5，文件大小 = 5，文件保护方式 = 3。
（6）创建文件f6，文件大小 = 5，文件保护方式 = 2。
上述文件创建完毕后，磁盘位示图和文件列表的情况如下图所示。
UOF为空状态，显示情况如下图所示。
【2】读写文件，记录各个数据结构情况
在此步骤中，应该先打开文件，再对文件进行读/写操作，最后关闭文件。如果直接读/写文件，程序会提示相应报错。打开文件的操作序列如下所示。
（1）打开文件f1，文件操作方式 = 3。
（2）打开文件f2，文件操作方式 = 3。
（3）打开文件f3，文件操作方式 = 3。
（4）打开文件f4，文件操作方式 = 1。
（5）打开文件f5，文件操作方式 = 3。
由（5）可知，当打开文件数量大于4时，程序会提示打开文件数目超过上限，因此符合本实验中的【假定最多允许打开4个文件，该表应设置4项。当打开文件个数超过4个时，应给出错误信息】的要求。
此时UOF的情况如下图所示。
（6）读取文件f1，读取字节数 = 3。
此时UOF的情况如下图所示。可以发现f1文件的读指针有所修改。
（7）读取文件f2，读取字节数 = 10。
由（7）可知，当从当前文件读指针开始，经过输入的读取字节数后，如果超过了文件的当前长度，程序会提示读取文件长度超过上限。
（8）写入文件f3，写入字节数 = 10。
此时UOF的情况如下图所示。可以发现f3文件的写指针、文件当前大小有所修改。
此时磁盘位示图的情况如下图所示。
（9）写入文件f4，写入字节数 = 5。
由（9）可知，如果当前文件的保护方式与操作方式存在不兼容的情况，程序会提示该文件不能操作写。
（10）关闭文件f4。
（11）关闭文件f3。
此时UOF的情况如下图所示。可以发现f3文件和f4文件的信息已经不存在于UOF中，说明关闭操作成功。
此时磁盘位示图的情况如下图所示。可以发现文件依然存在于磁盘中，因此关闭操作并不会导致文件被删除的情况发生。
（12）关闭f2文件。
此时UOF的情况如下图所示。可以发现f2文件的信息已经不存在于UOF中，说明关闭操作成功。
（13）关闭f1文件。
此时UOF的情况如下图所示。可以发现f1文件的信息已经不存在于UOF中，说明关闭操作成功。
当前UOF为空，说明没有文件处于打开状态。
【3】删除文件，记录各个数据结构情况
（1）删除f2文件。
此时磁盘位示图的情况如下图所示。可以发现f2文件的信息已经不存在于磁盘位示图中，说明删除操作成功。
（2）删除f3文件。
此时磁盘位示图的情况如下图所示。可以发现f3文件的信息已经不存在于磁盘位示图中，说明删除操作成功。
（3）删除f4文件。
此时磁盘位示图的情况如下图所示。可以发现f4文件的信息已经不存在于磁盘位示图中，说明删除操作成功。
后面将随机删除磁盘中剩余的各个文件，此处不再进行赘述。
【4】所有的文件都删除掉时，磁盘恢复为初始化状态
四. 实验分析和总结
【1】数据结构说明
（1）FCB的数据结构
FCB的代码实现如下图所示。
在本实验中，利用struct构造FileInfo结构体，实现对文件基本信息的记录，即文件控制块。
该数据结构的基本变量包括：文件名字的字符串file_name、文件大小的整型单变量file_size、文件分配扇区的一维数组allocated_sectors、文件保护方式的整型单变量protection。
（2）UOF的数据结构
UOF的代码实现如下图所示。
在本实验中，利用struct构造UOF结构体，实现对处于打开状态的各个文件进行记录，即用户文件打开表。
该数据结构的基本变量包括：文件名字的字符串file_name、文件操作方式的整型单变量protection、文件当前大小的整型单变量file_size、文件读指针的整型单变量read、文件写指针的整型单变量write、文件状态的整型单变量state（在本次实验中并没有实际用到）。
（3）磁盘空间的数据结构
磁盘空间的代码实现如下图所示。
在本实验中，利用struct构造StorageManager结构体，实现磁盘空间的初始化和管理，以及链接相应的文件信息。
该数据结构的基本变量包括：可用扇区总数的整型单变量available_sectors、磁盘位示图的二维数组bitmap、文件映射的哈希表files、打开文件映射的哈希表user。
该数据结构的功能包括：构造磁盘空间函数createFile、创建文件函数createFile、显示磁盘存储状态函数displayStatus、显示磁盘中的文件序列函数fileDetails、删除文件函数deleteFile、打开文件函数openFile、关闭文件函数closeFile、写入文件函数writeFile、读取文件函数readFile、显示UOF状态函数displayUOF。
【2】程序流程图
（1）主函数的程序流程图
（2）构造磁盘空间函数的程序流程图
（3）创建文件函数的程序流程图
（4）显示磁盘存储状态函数的程序流程图
（5）显示磁盘中的文件序列函数的程序流程图
（6）删除文件函数的程序流程图
（7）打开文件函数的程序流程图（第一、二个判断框右侧为否，下测为是，画错）
（8）关闭文件函数的程序流程图
（9）写入文件函数的程序流程图
（10）读取文件函数的程序流程图
（11）显示UOF函数的程序流程图
【3】程序运行结果，打印程序运行时的初值和运行结果
程序在测试用例下的运行结果如【三、测试用例】处所示。测试用例的流程图如下图所示。
【4】实验知识点总结，实验收获与体会
1：单级文件目录是最简单的文件目录，只适用于单用户环境。在单级目录中，利用用户提供的文件名，用顺序查找法直接从文件目录中找到指名文件的目录项。
其优点是：简单易实现，实现了“按名存取”。
其缺点是：（1）查找速度慢。在目录文件中查找文件目录项需要时间长。②不允许重名。同一个目录中的文件不允许同名。③不便于实现文件共享。
2：两级目录结构由【主文件目录MFD】和【用户子目录UFD】组成。
其优点是：①文件重名问题。每个用户可以使用相同的文件名。②提高了检索目录的速度。查找时间只是该用户所拥有的文件数目的一半时间，而不是所有文件的一半时间。③文件共享：允许不同用户使用不同文件名来访问同一个文件。原则上只要把对应的目录项指向同一物理位置的文件即可。
其缺点是：用户不能对自己的文件进行分类管理。
查找文件的逻辑结构如下图所示。
3：访问一个文件过程：根据文件名对目录进行查询，找出该文件的FCB或索引结点；
根据FCB中的盘块号，换算出物理地址，最后，把文件读进来。
4：在文件保护方式中，一共有3种状态。其中，1表示文件可读，2表示文件可写，3表示文件可读写执行。
5：在本次实验中，深入了解了文件系统的工作原理和如何模拟文件的创建、写入、打开、读取、关闭和删除等操作。同时，遇到了许多可能导致操作失败的情况，如磁盘空间不足、文件不存在、文件打开数超限等，因此学会了如何在程序中进行错误处理和返回适当的错误代码。
6：实验要求模拟文件系统，因此更加了解了系统调用的重要性。系统调用是用户程序与操作系统之间的桥梁，它允许用户程序与系统资源进行交互。同时，通过模拟用户打开文件表，学会了如何在系统中管理多个同时打开的文件，深入理解了多任务操作系统中的文件管理。
【5】实验源代码
| #include <iostream> #include <vector> #include <unordered_map> using namespace std; const int MAXOPEN = 4; const int MAXBYTE = 50; // FCB or one-UFD struct FileInfo { string file_name; // 文件名字 int file_size; // 文件大小 vector<int> allocated_sectors; // 文件分配的扇区 int protection; // 文件保护方式 }; // UOF struct UOF { string file_name; //文件名字 int protection; //文件操作方式 int file_size; //文件大小 （当前） int read; //文件读指针 int write; //文件写指针 int state; //文件状态 //int file_path; //文件地址 ，不如直接看磁盘。 }; // Disk struct StorageManager { int available_sectors; // 可用扇区总数 vector<vector<int>> bitmap; // 磁盘位图 unordered_map<string, FileInfo> files; // 文件映射 unordered_map<string, UOF> user; // 打开文件映射 StorageManager(); // 构造函数yes bool createFile(const string&, int, int); // 创建文件yes void displayStatus(); // 显示存储状态yes void fileDetails(const FileInfo&); // 显示文件详情yes bool deleteFile(const string&); // 删除文件yes
bool openFile(const string&, int); // 打开文件，文件名+操作方式yes bool closeFile(const string&); // 关闭文件，文件名yes bool writeFile(const string&, int); // 写入文件，文件名+写入字节数yes bool readFile(const string&, int); // 读取文件，文件名+读取字节数 yes void displayUOF(); // 显示UOF }; // show UOF void StorageManager::displayUOF(){ cout<<"文件打开表UOF："<<endl; for(const auto& pair:user){ cout<<pair.first<<"文件："; cout<<"[文件操作方式]"<<pair.second.protection<<"\t"; cout<<"[文件当前大小]"<<pair.second.file_size<<"\t"; cout<<"[文件读指针]"<<pair.second.read<<"\t"; cout<<"[文件写指针]"<<pair.second.write<<"\t"; cout<<"[文件状态]"<<pair.second.state; cout<<endl; } } // 读取文件 bool StorageManager::readFile(const string& name, int byte){ auto it = user.find(name); if(it == user.end()){ cout<<"读取文件错误：UOF里没有这个文件。"<<endl; return false; }
UOF temp = it->second; if(temp.protection != 3 and temp.protection != 1){ cout<<"读取文件错误：该文件不能操作读。"<<endl; return false; }
if(temp.read + byte > temp.file_size){ cout<<"读取文件错误：读取文件长度超过上限。"<<endl; return false; }
// allow reading it->second.read += byte;
return true; } // 写入文件 bool StorageManager::writeFile(const string& name, int byte){ auto it = user.find(name); if(it == user.end()){ cout<<"写入文件错误：UOF里没有这个文件。"<<endl; return false; }
UOF temp = it->second; if(temp.protection != 3 and temp.protection != 2){ cout<<"写入文件错误：该文件不能操作写。"<<endl; return false; }
if(temp.write + byte > MAXBYTE){ cout<<"写入文件错误：写入文件长度超过上限。"<<endl; return false; }
// check disk if(available_sectors < byte){ cout<<"写入文件错误：磁盘空间不足。"<<endl; return false; }
auto find = files.find(name); FileInfo add = find->second;
int addbyte = byte; // modify bitmap for(int i=0;i<bitmap.size()&&addbyte>0;++i){ for(int j=0;j<bitmap[i].size()&&addbyte>0;++j){ if(bitmap[i][j]==0){ bitmap[i][j]=1; find->second.allocated_sectors.push_back(i*16+j); //allocated_sectors --addbyte; --available_sectors; } } }
// allow writing it->second.write += byte; // 修改写指针 it->second.file_size += byte; // 修改当前文件长度
// update FCB find->second.file_size += byte; fileDetails(find->second);
return true; } // 关闭文件函数 bool StorageManager::closeFile(const string& name){ auto it = user.find(name); if(it == user.end()){ cout<<"关闭文件错误：UOF里没有这个文件。"<<endl; return false; }
user.erase(it);
return true; } // 打开文件函数 bool StorageManager::openFile(const string& name, int opt){ auto it = files.find(name); if(it == files.end()){ cout<<"打开文件错误：没有这个文件。"<<endl; return false; }
FileInfo temp = it->second;
if(temp.protection == 1){ if(opt != 1){ cout<<"打开文件错误：文件保护方式有限制。"<<endl; return false; } } else if(temp.protection == 2){ if(opt != 2){ cout<<"打开文件错误：文件保护方式有限制。"<<endl; return false; } }
auto newit = user.find(name); if(newit != user.end()){ cout<<"打开文件错误：这个文件已经打开。"<<endl; return false; }
if(user.size() >= MAXOPEN){ cout<<"打开文件错误：打开文件数目超过上限。"<<endl; return false; }
// 文件名字、操作、当前大小、读ptr、写ptr、状态 UOF t{name, opt, temp.file_size, 1, temp.file_size, 0}; user[name] = t; //hash setting
return true; } // 构造函数 8个柱面。每个柱面有4个磁道，每个磁道又划分成4个物理盘块。 StorageManager::StorageManager() : available_sectors(128) { bitmap.resize(8, vector<int>(16, 0)); // 构造8*16个空盘块 for (int j = 0; j < 16; ++j) { bitmap[0][j] = 1; // 预留第一行作为系统文件，该柱面不可用 } } // 创建文件函数 bool StorageManager::createFile(const string& name, int size, int protection) { if (files.find(name) != files.end()) { // 如果文件名字不在末尾，则冲突 cout << "创建文件错误: 文件已存在。"<< endl; return false; } if (size > available_sectors) { // 如果文件大小大于空闲扇区大小 cout << "创建文件错误: 磁盘空间不足。"<< endl; return false; }
// 创建新文件的FCB FileInfo newFile{ name, size, {} , protection};
// 更新位示图中信息 for (int i = 0; i < bitmap.size() && size > 0; ++i) { for (int j = 0; j < bitmap[i].size() && size > 0; ++j) { if (bitmap[i][j] == 0) { // 如果这个盘块为空 bitmap[i][j] = 1; // 设置为已经分配 newFile.allocated_sectors.push_back(i * 16 + j); // 分配区增加这个盘块 --size; // 空闲区大小-=1 --available_sectors; // 同上 } } } files[name] = newFile; // hash表设置 fileDetails(newFile); // 显示新建文件详情 return true; } // 显示磁盘分配情况函数 void StorageManager::displayStatus() { cout << "磁盘位图：" << endl; for (int i = 0; i < bitmap.size(); ++i) { for (int j = 0; j < bitmap[i].size(); ++j) { cout << bitmap[i][j] << ' '; } cout << endl; // 换行显示 }
cout << endl << "文件列表:" << endl; for (const auto& pair : files) { cout <<"文件'"<< pair.first << "'的大小: " << pair.second.file_size << endl; fileDetails(pair.second); } cout << endl; } // 显示文件内存详情函数 void StorageManager::fileDetails(const FileInfo& file) { cout << "文件 '" << file.file_name << "' 的详细信息："<< endl; for (int sector : file.allocated_sectors) { cout << "扇区: " << sector << "；"; //遍历扇区 } cout << endl; } // 删除文件函数 bool StorageManager::deleteFile(const string& name) { auto it = files.find(name); if (it == files.end()) { cout << "删除文件错误: 文件不存在。"<< endl; return false; } for (int sector : it->second.allocated_sectors) { int i = sector / 16; int j = sector % 16; bitmap[i][j] = 0; ++available_sectors; } files.erase(it); auto another = user.find(name); if (another != user.end()){ user.erase(another); }
cout << "文件 '" << name << "' 已删除。"<< endl; return true; } // 菜单函数 void menu(StorageManager manager){ cout << "根据数字提示选择操作: " << endl; cout << "0:退出系统，1:创建文件, 2:删除文件" << endl; cout << "4:打开文件，5:读取文件, 6:写入文件, 7:关闭文件" << endl; cout << "3:磁盘位示图，8：用户文件打开表"<<endl; } // 主函数 int main() { StorageManager manager; int action; string filename; int filesize; int protection; int byte; while (true) { bool flag = 1; cout << endl; menu(manager); cin >> action; cout << endl; switch (action) { // 1，创建文件 case 1: cout << "输入文件名: "; cin >> filename; while (1){ cout << "输入文件大小: "; cin >> filesize; if(filesize<=0){ cout<<"文件大小必须为正，请重新输入！"<<endl; } else{ break; } } while (1) { cout << "输入文件保护方式："; cin >> protection; if(protection == 1 or protection == 2 or protection == 3){ break; } else{ cout<<"文件保护方式输入错误，请重新输入！"<<endl; } } if (manager.createFile(filename, filesize, protection)) { cout << "文件创建成功。"<<endl; } break; //2，删除文件 case 2: cout << "输入要删除的文件名: "; cin >> filename; if (manager.deleteFile(filename)) { cout << "文件删除成功。"<<endl; } break; //3，磁盘位示图 case 3: manager.displayStatus(); break; //4:打开文件 case 4: cout << "输入要打开的文件名: "; cin >> filename; while(1){ cout<<"请输入文件操作方式："; cin >> protection; if(protection != 1 and protection != 2 and protection != 3){ cout<<"文件操作方式错误，请输入1、2、3中的其中一个。"<<endl; } else { break; } } if (manager.openFile(filename,protection)) { cout << "文件打开成功。"<<endl; } break; //5:读取文件 case 5: cout<<"输入要读取的文件名："; cin>>filename; while(1){ cout<<"输入要读取的字节数："; cin>>byte; if(byte <= 0){ cout<<"读取字节大小必须为正，请重新输入！"<<endl; } else{ break; } } if(manager.readFile(filename, byte)){ cout<<"文件读取成功。"<<endl; } break; //6:写入文件 case 6: cout<<"输入要写入的文件名："; cin>>filename; while(1){ cout<<"输入要写入的字节数："; cin>>byte; if(byte <= 0){ cout<<"写入字节大小必须为正，请重新输入！"<<endl; } else{ break; } } if(manager.writeFile(filename, byte)){ cout<<"文件写入成功。"<<endl; } break; //7:关闭文件 case 7: cout << "输入要关闭的文件名: "; cin >> filename; if(manager.closeFile(filename)){ cout << "文件关闭成功。"<<endl; } break; //8:UOF case 8: manager.displayUOF(); break; case 0: cout << "程序退出，感谢使用。"<<endl; flag = 0; break; default: cout << "无效的数字操作，请重新输入。"<<endl; break; }
if(!flag){ break; } }
return 0; } |
五．实验指导
1. 主要的数据结构（供参考）
UFD、UOF表可采用结构数组，也可采用链表方式，下面是结构数组方式的定义。
#define OPEN_FILE_MAX 4
#define FILE_NAME_MAX 20
#define FILE_MAX 10 //系统中可创建的文件数量最大值
#define FILE_BLOCK_MAX 10 //文件磁盘块最大值
struct FCB{
// 文件控制块
int file_descriptor; // 文件标识符
char file_name[FILE_NAME_MAX]; // 文件名
int protected_mode; // 1:可读；2:可写；3:可读写执行
int file_current_length; // 文件当前长度（字节）
int file_max_length; // 文件最大长度（字节）
// 以下是文件存储空间分配时产生的值，不需要用户定义
int length; // 文件的块数
int block[FILE_BLOCK_MAX]; // 存放文件的具体盘块号
…….
} UFD_table[FILE_MAX]; // UFD表信息，文件目录结构
struct UOF{
char file_name[FILE_NAME_MAX];
int operate_mode; // 打开后要执行的操作 1只读 2读写 3读写执行
int read_pointer; // 初始状态下为1
int write_pointer; // 初始状态下为文件长度
int file_current_length;
int file_path;
int state;
} UOF_table[OPEN_FILE_MAX]; // 用户打开文件表
2. 文件系统执行流程
实验中，应先建立用户文件目录和用户打开文件表，然后给出一个菜单，请求用户选择要执行的操作。
（1）文件系统执行流程如下图所示。
（2）创建文件命令和流程图
fd= create(文件名，文件最大字节长度，文件保护方式)
（3）写文件命令及其流程图
write(文件描述符或文件名，要写的字节个数);
（4）打开文件命令及其流程图
fd= open(文件描述符或文件名，操作方式);
（5）读文件命令及其流程图
read(文件描述符或文件名，要读的字节个数);
（6）关闭文件命令及其流程图
close(文件描述符或文件名);
