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Lab8 Report

实验目的

通过完成本次实验，希望能达到以下目标

• 了解基本的文件系统系统调用的实现方法；
• 了解一个基于索引节点组织方式的Simple FS文件系统的设计与实现；
• 了解文件系统抽象层VFS的设计与实现。

实验内容

实验七完成了在内核中的同步互斥实验。本次实验涉及的是文件系统，通过分析了解ucore文件系统的总体架构设计，完善读写文件操作，重新实现基于文件系统的执行程序机制（即改写do_execve），从而可以完成执行存储在磁盘上的文件和实现文件读写等功能。

练习

对实验报告的要求：

• 基于markdown格式来完成，以文本方式为主
• 填写各个基本练习中要求完成的报告内容
• 完成实验后，请分析ucore lab中提供的参考答案，并请在实验报告中说明你的实现与参考答案的区别
• 列出你认为本实验中重要的知识点，以及与对应的OS原理中的知识点，并简要说明你对二者的含义，关系，差异等方面的理解（也可能出现实验中的知识点没有对应的原理知识点）
• 列出你认为OS原理中很重要，但在实验中没有对应上的知识点

文件系统的层次架构

lab8的关键在于理解操作系统的文件系统层次架构，在ucore中，文件系统被划分成了通用文件系统访问接口，文件系统抽象层(VFS, Virtual File System)，简单文件系统(SFS, Simple File System)以及文件系统I/O设备接口层四个层次。

• 通用文件系统访问接口主要是面向进程，为进程提供方便简单的文件操作系统调用，如我们熟悉的open, read，write等，它通过访问用户系统调用库来获得内核文件系统的相关服务。该层次包括的文件有user/ulib.c(h)，user/syscall.c(h)，kern/sysfile.c(h)。

• 文件系统抽象层完成两个方面的工作，一方面为上一层的通用访问接口提供服务，另一方面需要定义和下一层交互的接口。VFS层又可以划分为若干个子层，包括处于上层的file层，以及处于下层的inode层和fs层。

  • file是面向进程的对磁盘数据块的一种抽象，file层主要是提供文件相关的系统调用的实际处理函数，如file_open，file_read等，另一方面还需要对进程的打开文件表进行管理。file层对应的文件有fs/file.c(h)。

  • fs层是对文件系统的抽象，它提供一般的（抽象的）文件系统本身应该完成的一些功能，比如打开文件或者创建文件与目录这种。需要注意的是，文件的读与写是inode层提供的功能。fs层对应的文件有vfs/vfs.c(h)以及vfsdec.c，vfsfile.c，vfslookup.c，vfspath.c。

  • inode是对文件的一种低层次抽象，和file不同，inode主要关心的问题是面向底层的操作，如屏蔽不同文件系统之间的细节，而为file层提供统一的调用接口。为此，inode层以抽象类的形式，定义了具体文件系统需要实现的一般操作接口struct inode_ops。inode层对应的文件有inode.c(h)

• SFS层是ucore实现的一个具体的文件系统。一方面它需要为文件系统抽象层提供服务，即实现inode定义的若干抽象操作接口；另一方面则调用底层的设备提供的功能。在SFS层中，对文件和目录进行了区分，分别实现了两套不同的抽象接口，即sfs_node_dirops和sfs_node_fileops。SFS层对应的文件包括fs/sfs文件夹里面的全部文件。

• I/O设备接口层实际上又可以划分为抽象设备接口和具体设备两个层次，前者屏蔽了不同设备之间的细节，为上层的文件系统提供统一的接口，后者则关注具体设备，如disk，stdin，stdout，读写等功能的具体实现。该层次对应的文件有dev.c(h)以及dev_disk0.c等具体设备文件。

在实际的运行过程当中，如用户程序请求读某一个文件，则首先调用用户库中读文件相关的函数，在ucore中是user/file.c::read，通过层层调用关系，该函数最终通过系统调用进入内核，调用了sysfile_read函数。

sysfile_read函数调用vfs层中file.c(h)提供的接口file_read来完成实质性的工作。而file_read则是调用inode层次中的vop_read函数进一步将工作向下传递。

vop_read调用某个具体文件系统实现的读文件的操作，这里是sfs_read函数，随后sfs_read调用与设备接口层之间的接口sfs_rblock与sfs_rbuf函数，将工作传递给实现该文件系统的设备层。

在抽象设备接口层调用dop_io来完成对抽象设备的读操作，该函数调用底层的具体设备，如disk，实现的磁盘读写函数，最终完成了对磁盘某几个区块的读操作。

file_open

file_open的调用路线

• syscall/sys_open调用sysfile_open，转到了vfs层的file_open；
• 为了打开一个文件，首先需要找到该文件所在的目录（根目录或者相对路径目录）对应的inode，然后再通过读取该inode的内容（即sfs_disk_entry)，逐个判断路径名是否匹配。
• 需要注意的是打开文件并不类似于读文件或者写文件这种操作，前者是文件系统应该提供的操作，而后者是某个文件应该提供的接口。因此在vfs层中还抽象出了三个子层（也许还有更多），分别是file层，inode层和fs层，file_open调用fs层的vfs_open来完成实际的工作。
• vfs_open调用vfs_lookup来进行对路径的查找。
• vfs_lookup首先需要找到根目录或者当前目录的inode，因此调用了get_device找到起始的查找目录。此后的操作就归结于目录inode的查找工作了，因此调用inode子层的vop_lookup从获得的目录开始查找指定路径。
• vop_lookup调用具体文件系统sfs的sfs_lookup，后者再调用sfs_lookup_once，这表明了ucore中实现的文件系统只有一级目录。
• sfs_lookup_once调用sfs_dirent_search_nolock逐个读出目录inode中记载的内容，即各个文件的sfs_disk_entry信息，并对文件名进行比对。为了简单起见，这里的存储策略是每个目录项单独存储在一个block当中（这也太浪费了
• 如果路径正确，sfs_lookup_once将找到目标文件的sfs_disk_entry，其中记录了它的控制块sfs_disk_inode在硬盘上的位置，将该控制块从硬盘读出，并且逐步封装成sfs_inode和inode，就基本完成了读文件的操作。需要注意的是这里需要调用sfs层与device层之间的接口，相关函数定义在了sfs_io.c当中。
• 最后在file_open函数中，返回打开文件的文件描述符fd, file descriptor即可，这里的fd实际上是打开文件在进程的打开文件表中的索引。