ucore Lab8 文件系统

练习0：填写已有实验

本实验依赖实验1/2/3/4/5/6/7。请把你做的实验1/2/3/4/5/6/7的代码填入本实验中代码中有“LAB1”/“LAB2”/“LAB3”/“LAB4”/“LAB5”/“LAB6” /“LAB7”的注释相应部分。并确保编译通过。注意：为了能够正确执行lab8的测试应用程序，可能需对已完成的实验1/2/3/4/5/6/7的代码进行进一步改进。

不太需要改写什么

练习1: 完成读文件操作的实现（需要编码）

文件打开大致流程

用户态应用程序：
用户态的应用程序通过系统调用（例如 open 系统调用）来请求内核打开文件。

系统调用接口层：
在系统调用接口层，例如 sys_open 函数，内核获取用户态应用程序传递的参数，例如文件路径名（path）和打开标志（open_flags）。

虚拟文件系统层（VFS）：
在 VFS 层，内核根据传递的文件路径名找到对应的文件系统（例如 SFS 文件系统）。
VFS 层会调用具体文件系统的打开函数（例如 sfs_open）来进行文件的打开操作。

文件系统层（例如 SFS 文件系统）：
在文件系统层，打开函数（例如 sfs_open）会获取文件路径名对应的 inode，并创建 struct file 结构体，用于表示打开的文件。该结构体包含了与文件相关的信息，如文件的 inode、文件读写位置等。
打开函数还可能进行权限检查，确保应用程序有权访问该文件。

返回文件描述符：
在 VFS 层，打开文件后会为该文件创建一个文件描述符，并返回给用户态应用程序。文件描述符是一个整数，用于标识文件的打开状态。

应用程序的文件操作：
用户态应用程序在获取到文件描述符后，可以使用该文件描述符进行文件读写等操作，通过系统调用（例如 read、write）来请求内核进行相应的操作。

下面给出读操作有关sfs_io_nolock函数的调用关系

用户程序调用 sys_read 系统调用：
用户程序通过 sys_read 系统调用来请求读取文件内容。

系统调用处理：
内核根据系统调用号，将控制权转交给系统调用处理函数 sys_read。

文件描述符解析：
sys_read 函数解析文件描述符，并找到对应的 struct file 结构体。

文件读取调用：
sys_read 函数调用文件读取函数 file_read。
file_read 函数首先检查文件读取权限，并调用文件系统抽象层函数 vfs_read。

虚拟文件系统抽象层（VFS）：
vfs_read 函数根据文件描述符，调用 VFS 层的文件读取函数 vop_read。
vop_read 函数根据文件节点（struct vnode）类型，调用不同文件系统的文件读取函数，如 sfs_read（用于 SFS 文件系统）。

SFS 文件系统读取：
sfs_read 函数根据文件节点中的文件读写偏移量（文件指针），找到相应的磁盘块，并调用 sfs_io_nolock 函数读取磁盘块的数据。

sfs_io_nolock：
sfs_io_nolock 函数负责实际的读取磁盘块操作。
它调用 sfs_read_block 函数从磁盘中读取指定的数据块。

磁盘读取：
sfs_read_block 函数利用设备驱动层的接口函数，将磁盘块数据从硬盘读取到内存缓冲区。

数据传递：
sfs_read_block 函数将读取的数据传递给上层的 sfs_read 函数。

数据传递至文件读取函数：
sfs_read 函数将读取的数据传递给 vop_read 函数。

数据传递至系统调用函数：
vop_read 函数将读取的数据传递给 vfs_read 函数。

数据传递至系统调用处理函数：
vfs_read 函数将读取的数据传递给 sys_read 函数。

返回用户空间：
sys_read 函数将读取的数据传递回用户程序空间，并返回读取的字节数。

sfs_io_nolock 实现

static int
sfs_io_nolock(struct sfs_fs *sfs, struct sfs_inode *sin, void *buf, off_t offset, size_t *alenp, bool write)
{bool aligned =  0;if ((blkoff = offset % SFS_BLKSIZE) != 0){aligned = 1;size = (nblks != 0) ? (SFS_BLKSIZE - blkoff) : (endpos - offset);if ((ret = sfs_bmap_load_nolock(sfs, sin, blkno, &ino)) != 0){goto out;}if ((ret = sfs_buf_op(sfs, buf, size, ino, blkoff)) != 0){goto out;}alen += size;   buf += size;if (nblks == 0)   goto out;  }if(nblks - aligned > 0){if ((ret = sfs_bmap_load_nolock(sfs, sin, blkno + aligned, &ino)) != 0){goto out;}if ((ret = sfs_block_op(sfs, buf,  ino, nblks - aligned)) != 0){goto out;}buf += (nblks - aligned) * SFS_BLKSIZE;alen += (nblks - aligned) * SFS_BLKSIZE;}if ((size = endpos % SFS_BLKSIZE) != 0 ){if ((ret = sfs_bmap_load_nolock(sfs, sin, blkno + nblks, &ino)) != 0){goto out;}if ((ret = sfs_buf_op(sfs, buf, size, ino, 0)) != 0){goto out;}alen += size;}

首先获取文件的 struct sfs_disk_inode 结构体指针 din，并对文件进行合法性检查，如文件类型不为目录等。
计算文件读写的结束位置 endpos，并进行参数合法性检查，确保读写操作在有效的范围内。
根据读写类型（write），选择对应的缓冲区操作函数 sfs_buf_op 和块操作函数 sfs_block_op，分别对应于读操作和写操作。
接下来，根据文件读写的开始位置 offset 和结束位置 endpos，按块为单位进行读写操作。
首先，处理未对齐的部分，即当前块的偏移不为0的情况。如果当前偏移不为0，则先读写当前块剩余的数据。
然后，处理对齐的整块数据，根据起始块号和需要读写的块数，调用相应的函数读写整块数据。
最后，处理结束位置不为块末尾的情况，即剩余部分不足一块的数据，再次调用相应函数读写剩余的数据。
在整个过程中，根据读写的大小，更新已读写数据的长度 alen。
如果读写操作结束后，文件大小发生变化，则更新文件大小，并标记文件节点为脏（dirty）。
最后，返回读写操作的结果。如果操作成功，返回0，否则返回错误码。

练习2: 完成基于文件系统的执行程序机制的实现（需要编码）

这个写起来真的好多好难啊，代码还是不放了，答案也有（鄙人不会，只能抄答案），下面给出一些该函数实现流程吧

首先，检查当前进程的 mm 是否为空。mm 是进程的内存管理结构，用于管理进程的虚拟地址空间。如果当前进程的 mm 不为空，说明内存管理结构已经被占用，这意味着当前进程已经运行了其他程序或者已经加载了其他程序，因此抛出 panic，表示异常情况。
创建新的 mm 结构，用于存放当前进程的虚拟地址空间。首先，调用 mm_create() 函数创建一个新的 mm 结构，并将返回的指针存储在 mm 变量中。
为新的 mm 结构设置页目录表（PDT），通过 setup_pgdir() 函数进行页表项的设置。该函数的目的是为了为用户程序提供一个独立的虚拟地址空间，并将用户程序的代码、数据和栈等内容映射到不同的物理页上。
解析 ELF 可执行文件头部，读取 ELF 文件的信息，并进行合法性检查。首先，定义一个 elf 结构体和一个指向该结构体的指针 elfp，用于存储 ELF 文件的头部信息。然后，通过 load_icode_read() 函数从磁盘上读取 ELF 可执行文件的头部信息到 elfp 中。接着，检查 ELF 文件的魔数是否正确，如果不正确则说明该 ELF 文件不合法，抛出 -E_INVAL_ELF 错误。
遍历 ELF 可执行文件的 program header 表，对 TEXT/DATA/BSS 段进行处理。首先，定义一个 ph 结构体和一个指向该结构体的指针 php，用于存储 program header 表项的信息。然后，通过循环遍历 ELF 文件的每一个 program header 表项。
对 TEXT/DATA 段进行分配虚拟地址空间和读取操作。对于每一个 program header 表项，首先检查其类型是否为 ELF_PT_LOAD，表示该段是可加载的段。然后，检查 p_filesz 是否大于 p_memsz，如果是则说明 ELF 文件不合法，抛出 -E_INVAL_ELF 错误。接着，判断 p_filesz 是否为 0，如果为 0 则说明该段没有数据需要读取，直接跳过。如果以上条件都不满足，说明该段需要加载到用户空间。
为 TEXT/DATA 段在用户空间分配虚拟地址空间，并将对应的数据从 ELF 文件中读取到用户空间。首先，根据 program header 表项中的虚拟地址 p_va 和大小 p_memsz 以及权限信息 p_flags，调用 mm_map() 函数将该段映射到用户空间的合适位置。接着，计算出每一页的偏移和大小，并逐页分配物理内存，并将数据从 ELF 文件中读取到相应的物理页中。
对 BSS 段进行分配虚拟地址空间和清零操作。对于每一个 program header 表项，同样检查其类型是否为 ELF_PT_LOAD，表示该段是可加载的段。然后，判断 p_memsz 是否大于 p_filesz，如果大于，则说明 BSS 段需要进行清零初始化。接着，为 BSS 段在用户空间分配虚拟地址空间，并将对应的内存空间清零。
为用户栈设置虚拟地址空间，并将命令行参数和用户栈的布局写入用户空间。首先，定义一些变量来辅助设置用户栈。然后，根据命令行参数计算出所需的栈空间大小，并调用 mm_map() 函数将用户栈映射到用户空间的合适位置。接着，根据命令行参数的长度和个数，将参数写入用户栈中。
切换当前进程的页目录表到新创建的用户页目录表，完成从内核空间到用户空间的切换。首先，增加新创建的 mm 结构的引用计数，然后将当前进程的 mm 指针指向新创建的 mm 结构，将当前进程的 CR3 寄存器设置为新的页目录表的物理地址，最后通过 lcr3 指令切换到用户态的页目录表。
最后，设置用户程序的执行环境。首先，设置中断帧 tf，包括代码段和数据段选择子、栈指针 esp、用户程序的入口地址 eip，以及标志寄存器 eflags。然后，返回 0，表示加载用户程序成功。

如果在加载过程中发生错误，会进行相应的清理工作，并返回相应的错误码。这样，load_icode 函数负责将 ELF 可执行文件加载到用户空间中，设置用户程序执行的环境，并切换到用户态，使用户程序开始执行。

顺便解释一下主要elf格式信息

ELF头部（ELF Header）：位于文件的开头，用于描述整个ELF文件的结构和属性。包含了与ELF文件有关的一些基本信息，如文件的类型（可执行文件、共享库或目标文件）、目标硬件平台、入口点地址等。程序头表（Program Header Table）：位于ELF头部指定的偏移位置，用于描述可执行程序或共享库中各个程序段（Program Segment）的属性和位置。每个程序段描述了一个逻辑上连续的内存区域，包含了一段代码或数据。程序头表在目标文件中可以不存在，但在可执行文件和共享库中通常存在。节头表（Section Header Table）：位于ELF头部指定的偏移位置，用于描述目标文件中各个节（Section）的属性和位置。节是ELF文件的组成单位，包含了一些编译器产生的信息，如代码、数据、符号表等。符号表（Symbol Table）：位于一个特定的节中，用于描述目标文件中定义和引用的符号（变量、函数等）的信息。符号表提供了在程序中查找和链接符号的功能。字符串表（String Table）：位于一个特定的节中，用于存储目标文件中使用的字符串，如符号表中的符号名称、节的名称等。通过字符串表，可以根据字符串的偏移值找到相应的字符串。代码段和数据段：ELF文件中的代码段（Code Segment）和数据段（Data Segment）存储了程序的指令和数据。在可执行文件中，代码段包含了程序的机器指令，数据段包含了程序使用的全局变量和常量等数据。BSS段：位于数据段之后，用于存储未初始化的全局变量和静态变量。BSS段在ELF文件中并不占据实际的存储空间，而是在程序加载到内存时由系统初始化为零

唔，至此，本人对操作系统的方方面面有了大致的框架，也了解到许多底层知识，中断描述符呀，虚拟内存，同步互斥等等，对自己提升真的好多。ucore结束了，但是操作系统还没结束

说实话，本人水平有限，对于ucore很多地方确实还是不太理解，没有很好掌握操作系统的内部机理，只是大致有了一个整体框架，框架内部的细节还是没有填满，最近由于处理事情较多，过段时间写CSAPP的时候，再接再厉，希望到时候我的基础会扎实一些

祝贺你通过自己的努力，完成了ucore OS lab1-lab8!

这段话还是恭喜你们吧，哈哈