Project 4 FileSystem
作者：西安电子科技大学 王永刚 QQ:357543420
2014.2.7
文件系统是操作系统的五大功能模块之一，主要实现操作系统对程序、数据、设备等的管理。
一、 当前pintos文件系统的功能
当前pintos文件系统已经实现了基本的文件创建删除功能。文件是固定大小，连续存放的。
(1) 文件在磁盘的存储方式：
每个文件都有一个disk_inode存放在磁盘的一个扇区上，其结构如下： struct inode_disk { block_sector_t start; //文件数据每一个起始块 off_t length; //文件长度。 unsigned magic; // uint32_t unused[125]; };
现在pintos文件是连续的，而且在创建时指定其大小后，再不能改变大小。由起始扇区和文件大小就能找到所有文件数据。
目录也是一个文件，只是其内容中都存放如下结构： struct dir_entry { Block_sector_t inode_sector; //文件inode_disk 所在扇区。
Char name[NAME_MAX+1]; Bool in_use; };
(2) 磁盘空闲空间管理方式。
空闲空间是用位图来表示的。其中位图也是一个文件，其disk inode存放在Sector 0. 位图文件大小显然与磁盘大小有关，用一个位表示一个扇区是否被分配，一个扇区512字节，一个扇区作为一个物理块，创建一个2M的磁盘，有1024*1024*2/512bit=4096bit= 4096/8=512Byte。
(3) 文件系统初始化过程：
在init.c:main()函数中调用了filesys_init();
1. 在filesys_init()中，初始化了bitmap,而且对磁盘进行了格式化。其中格式化就是创建了两个文件，一个用来管理空闲块的位置图文件，一个是根目录文件。
2.Filesys_init()中调用了free_map_init(),在free_map_init()中调用bitmap_create()创建了位图，大小依据磁盘大小。而且标记了0 1两个扇区为已经分配，作为free_map_file的disk_inode空间和根目录文件的disk_inode空间。此时free_map只是在内存中。
3.Filesys_init()中又调用了do_format()
在do_format()中：调用 了free_map_create()，创建了free_map_file,即一个文件，其disk_inode已经在上面分配了，再分配文件大小即可，这是由调用inode_create函数来实现的。创建这个文件时显然需要分配磁盘空闲块，就从在内存中的free_map位图中分配就可以。文件创建好了之后，打开文件，把内存中的位图free_map写到磁盘上，这是调用bitmap_write()实现的，本质还是用file_write()实现的。File_write()是通过inode_write_at()写磁盘的。
在do_format()中还创建根目录文件，ROOT_DIR_SECTOR已经标记了，分配文件所需要的空间就行了。
4. Filesys_init()调用了free_map_open()把free_map读入内存。其实就是打开上面创建的free_map文件，读数据入内存。直到系统关闭时才将free_map写回到磁盘上。 首先在内存中建立了磁盘的位图，标记了根目录和free_map本身的disk_inode结构扇
区。
上面的内存free_map一建立就保证创建文件时可以分配磁盘空间了。而inode_create()中就需要调用free_map_allocate()来获取空闲物理块。如果不格式化，则以前必然格式化过，直接读入free_map就行。 (4) 目录创建过程。
Pintos原来已经实现了创建目录的功能，但是只创建根目录，而且根目录只能包含16个文件，即16个dir_entry结构。
目录本质也是一个文件，根目录是特殊的文件，在filesys.h中有宏定义： #define ROOT_DIR_SECTOR 1. 在ROOT_DIR_SECTOR中，也就是第1个扇区中存放了根目录的disk_inode.上面已经提到了，在格式化时创建了根目录。 (5) 文件打开过程。
调用filesys_open().
每个打开的文件在内在都维护了一个唯一的数据结构inode(为了与disk_inode区别，这个叫memory inode).以下是memory inode结构： Struct inode { Struct list_elem elem; Block_sector_t sector;
Int open_cnt; Bool removed;
Int deny_write_cnt; Struct inode_disk data; };
打开一个文件显然就是在内存中创建一个inode结构，其中struct inode_disk data保存了该文件对应的磁盘中的inode. 如果此文件已经打开了，则只需要增加open_cnt的值，不用再创建一个inode. 这些inode通过一个链表链结到一起的，在filesys_init()中初始化了这个链表。 具体过程： 调用filesys_open(const char filename); 首先打开根目录，然后在根目录中依据filename查找文件。如果找到了，也就是找到了此文件对应的struct dir_entry结构，里面记录了文件disk_inode, disk_inode中记录文件数据起始位置和文件大小，这就可以读
写文件了。当然，还需要建立文件对应的memory inode.其中 data就是此文件的disk_inode.
通过filesys_open()只能得到文件的inode. 如果此文件是普通文件，则调用fileopen(inode)把inode包装成struct file结构;如果是目录就调用dir_open把inode包装成struct dir. Struct file结构如下： Struct file { Struct inode *inode; Off_t pos;
Bool deny_write; };
(6) 文件的创建过程.
创建一个文件要有文件名和文件大小，每一个文件在磁盘中都有一个struct disk_inode 结构，每个文件和目录都要在一个目录下，在目录文件中，struct dir_entry中记录了每个该目录下的文件的文件名，以及每个文件disk_inode所在扇区号。 具体是通过调用filesys_create(const char *name,off_t initial_size)实现的.
首先调用struct dir *dir =dir_open_root()打开根目录。以下struct dir结构。 Struct dir {
Struct inode *inode; Off_t pos ｝; 本质就是一个文件，读写目录与读写普通文件没有区别。
然后调用free_map_allocate分配一个扇区sector作为新文件的disk_inode. 再调用inode_create(sector,initial_size)分配文件所需要磁盘空间，分配的空间是连续的扇区。
最后创建一个struct dir_entry结构，把文件名和其sector填入其中，在目录中找一个位置放入就可以了。
(7) 文件的读写。
调用filesys_open()打开文件，这就得到了struct file结构，如下： 些结构记录了当前文件指针位置pos。
File_read() file_write()分配是通过inode_read_at()和inode_write_at()实现的。
二、 对disk_inode的改进
当前pintos文件系统限制很大。文件需要连续存储，这会导致大量磁盘碎片。
文件大小固定，不能动态增长文件，只有一个目录。这里主要把连续存储方式改为了linux中三级索引结构，而且可以动态增长文件，可以创建子目录。 三级索引结构：