【操作系统】实验：文件系统

一、实验目的

二、实验要求

三、实验步骤

四、核心代码

五、记录与处理

六、思考

七、完整报告和成果文件提取链接

一、实验目的

1、掌握文件系统的基本结构和文件系统的管理方法

2、加深对两级文件目录认识和理解

3、对文件操作的系统命令实质内容和执行过程深入理解

二、实验要求

1、文件系统结构：文件系统通常由文件、目录、文件描述符、i节点、位图等构成。其中，文件是数据的逻辑组织形式，目录是一种树形结构的组织形式，文件描述符是内核与文件之间的连接，i节点存储文件的元数据包括文件大小、创建时间、权限等信息，位图用于记录文件系统中的空闲块。

2、文件系统的操作：文件系统主要有创建、删除、读取、写入、查找等操作。由于文件系统是为用户和应用程序服务的，其操作方式应该是方便、简单、高效的。其中，查找是文件系统操作中的关键步骤，它需要在目录树中查找到指定的文件或目录。

3、文件系统的性能优化：为了提高文件系统的性能和可靠性，需要采取一些优化策略。例如采用缓存来减少磁盘IO访问，采用磁盘碎片整理功能来提高磁盘空间利用率等。

4、文件系统的安全性：安全性是文件系统不可缺少的部分，这包括对文件、目录的访问权限和保护措施等。文件系统应该有一套完整的权限管理系统，以确保用户只有相应的权限才能读取或操作文件。

三、实验步骤

1.创建用户；

2.登录用户；

3.进行文件操作，并实现相应的效果；

4.退出系统。

四、核心代码

//创建文件(创建索引)
void create() {int state = 0;										//标记是否正常创建文件,后面所有state均为标记，标记功能是否正常运行char write_state = 'N';                             //写入标记，创建完文件询问是否需要直接写入char Delete_state = 'N';                            //删除标记，空间不足，询问是否删除for (int i = 0; i < MaxsizeOfIndex; i++) {if (f[i].empty == 0) {							//找到空区域f[i].empty = 1;								//标记为已用cout << "请输入文件名：";					//输入想要创建的文件的名称 cin >> f[i].name;							state = 1;                                  //标记为正常创建cout << "是否要输入文件内容（Y/N):";		//询问创建之后要不要输入cin >> write_state;if (write_state == 'Y') {cout << "请输入文件内容：";             //为了不用重复输入文件名，这里没有调用write()，感觉可以使用同名函数cin >> d[i].disk;}break;}} if (state == 0) {									//没有空区域，询问是否删除cout << "没有剩余空间，删除文件（Y/N）：";cin >> Delete_state;if (Delete_state == 'Y') {                    Delete();}}}//删除文件(删除索引)
void Delete() {											//将此处标记为空，删除索引，不用删除内容char name[10];int state = 0;char Delete_state;cout << "请输入想删除的文件名：";					//输入需要删除的文件名cin >> name;for (int i = 0; i < MaxsizeOfIndex; i++) {if (strcmp(f[i].name, name) == 0 && f[i].empty == 1) {	//找到同名文件，且块为占用块f[i].empty = 0;								//标记为空cout << "删除成功" << endl;state = 1;									//标记正常删除文件索引break;}} if (state == 0) {                                   //未正常删除cout << "删除失败，请输入正确的文件名,重新输入(Y/N): ";cin >> Delete_state;if (Delete_state == 'Y') {Delete();}}
}//打开文件
void open() {char name[10];char write_state;char empty_cmp[2000] = { '\0' };cout << "请输入文件名要打开的：";								//输入想要打开的文件名 cin >> name;for (int i = 0; i < MaxsizeOfIndex; i++) {if (strcmp(f[i].name, name) == 0 && f[i].empty == 1) {		//名字相同，且块不为空，因为删除的时候，不会删除其中的名字，只是标记为空if (strcmp(d[i].disk, empty_cmp) == 0) {				//块内无内容，询问要不要先写入cout << "文件内容为空，请先写入文件，写入(Y/N):"<<endl;cin >> write_state;if (write_state == 'Y') {write();}}else {													//块内有内容，直接读出cout << "文件内容为：" << endl;cout << d[i].disk << endl;}break;}}
}//写入文件
void write() {char name[10];int state = 0;char write_state = 'N';cout << "请输入文件名：";cin >> name;for (int i = 0; i < MaxsizeOfIndex; i++) {if (strcmp(f[i].name, name) == 0 && f[i].empty == 1) {		//找到已经建立索引的文件cout << "请输入文件内容：";cin >> d[i].disk;										//将内容写入到对应的磁盘块中state = 1;												//标记为正常写入break;}}if (state == 0) {												//写入失败cout << "写入失败，请输入正确的文件名,重新输入(Y/N): ";cin >> write_state;if (write_state == 'Y') {write();}}
}//添加文件内容
void write_add() {												//在文件最后添加内容char content[100];char name[10];int char_site;int size;cout << "请输入想操作的文件：";cin >> name;cout << "想要添入的内容：";cin >> content;cout << "请输入想添加到的位置：";cin >> char_site;for (int i = 0; i < MaxsizeOfIndex; i++) {if (strcmp(f[i].name, name) == 0 && f[i].empty == 1) {int temp = i;for (int i = sizeof(d[temp].disk)-1; i > char_site ; i--) {    //向后挪出空间d[temp].disk[i + strlen(content)] = d[temp].disk[i];}for (int i = 0; i < strlen(content); i++) {   //这里不能使用sizeof，因为sizeof包括了最后的'\0'，会导致输出认为到这里就结束了d[temp].disk[i + char_site] = content[i];}}}cout << "写入成功";
}//删除文件内容
void delete_content() {char name[10];int state = 0;char Delete_state = 'N';cout << "请输入想要删除的文件内容的文件名：";cin >> name;for (int i = 0; i < MaxsizeOfIndex; i++) {					if (strcmp(f[i].name, name) == 0 && f[i].empty == 1) {memset(d[i].disk, '\0', sizeof(d[i].disk));			//把磁盘块设置为空cout << "删除完成";									//正常删除state = 1;break;}}if (state == 0) {											//删除失败cout << "删除失败，请输入正确的文件名,重新输入(Y/N): "<<endl;cin >> Delete_state;if (Delete_state == 'Y') {delete_content();}}
}void show_file_system() {int state = 0;cout << "文件号" << "	" << "文件名" <<endl;for (int i = 0; i < MaxsizeOfIndex; i++) {if (f[i].empty == 1) {state = 1;cout << i + 1 << "	" << f[i].name << endl;}}if (state == 0) {cout << "无文件" << endl;}
}

五、记录与处理

运行结果：

创建一个文件名为a，序号为1，并写入文件内容为abc

读文件，显示了文件a的内容与序号：

重新写入文件并查看文件内容：发现a文件内容以及变成def

删除文件a，显示成功！

也可以在目录中同时添加多个文件进行读写删除操作：

六、思考

1. 实验总结与心得：通过该实验，我深入了解了文件系统的基本结构、管理方法以及两级文件目录的概念和应用。我掌握了文件系统的基本结构和管理方法，通过创建和管理文件、目录等操作，我对文件系统的构成有了更加直观的认识。了解到文件系统中的文件、目录、文件描述符、节点和位图等元素如何协同工作，共同维护数据的组织和存储。

2.同时也加深了我对两级文件目录的认识和理解：实验使我明白了两级文件目录的重要性和实用性，尤其是在文件查找过程中，两级目录结构提高了检索效率。更深入理解了文件操作的系统命令实质内容和执行过程：通过实际操作文件的创建、删除、读取、写入和查找等命令，我不仅学会了如何使用这些命令，更重要的是理解了它们背后的执行机制和原理。

3. 操作系统的文件系统结构是由多个层次组成的，包括文件的逻辑结构、物理结构以及文件系统的全局结构等。文件系统是操作系统中用于管理和存储文件信息的软件机构，它负责在存储介质上组织文件的方法，并为用户提供文件的存储、检索、更新等功能。

从逻辑结构的角度来看，文件系统定义了文件的数据组成和属性，以及如何通过目录结构来访问和管理这些文件。文件可以是有结构的，如数据库中的记录，或者是无结构的流式文件。

从物理结构的角度来看，文件系统负责管理文件在外存上的存储方式，包括连续分配、链接分配和索引分配等方式。这些方式各有优缺点，例如，连续分配利于快速访问但容易导致碎片；链接和索引分配则更灵活但访问速度可能较慢。

4. 文件系统的操作主要包括创建文件、删除文件、打开文件、关闭文件、读文件和写文件。这些操作是操作系统中文件管理的基本功能，它们允许用户和应用程序对文件进行有效的管理和使用。

5. 在进行文件操作时，用户需要注意以下几点以确保数据的安全和完整性：权限验证：确保对文件的操作符合系统的安全策略和用户的权限设置。错误处理：在文件操作过程中，应该正确处理可能出现的错误和异常情况，如文件不存在、权限不足等。数据同步：在进行写操作时，确保数据已经被正确地同步到磁盘上，防止数据丢失。

总而言之，操作系统中的文件系统操作是用户与文件数据交互的基础，通过这些操作，用户可以方便地管理和访问文件数据。了解和掌握这些基本操作对于有效使用计算机系统至关重要。

6.总的来说，这次实验不仅让我掌握了文件系统的基本知识和操作技能，更重要的是培养了我解决问题的能力和实践创新的精神。通过亲身实践，我更加深刻地理解了理论知识的应用价值，为我日后的学习和研究工作奠定了坚实的基础。