[OS] A4-前菜介绍

从你的描述来看，这段话是给你的一些 预备知识 和 mkfs工具的使用 提示，帮助你了解如何构建和管理文件系统，特别是关于 xv6 文件系统的一些基本操作。

我会通过比喻和通俗化的方式逐步解释：

预备知识：xv6 文件系统的基本结构

文件系统的构建：
文件系统就像一个巨大的书库，里面存放着你所有的文件（数据块）。在开始实现文件系统的功能之前，你需要了解这个书库是如何构建的。就像你需要了解书架的设计、每一层存放了多少书、怎么存放书籍，文件系统也是在操作这些基本的“块”（blocks）。
mkfs 程序：
mkfs 程序就像是 构建书架 的工具，它根据指定的参数建立一个文件系统（类似创建一个空的书库）。在 mkfs 执行时，它会给你一些信息，比如文件系统有多少个“书架”（数据块）可以使用。
FSSIZE 参数：
FSSIZE 就是设定书库的大小，它告诉文件系统最多可以有多少个块（书架）。在你给出的例子中，FSSIZE 被设置为 200,000 个块，这意味着整个文件系统最多可以拥有 200,000 个块来存储数据。
输出信息：当你运行 mkfs 时，它会输出文件系统的基本信息，告诉你文件系统的构建情况。例如：
```
nmeta 70 (boot, super, log blocks 30 inode blocks 13, bitmap blocks 25) blocks
199930 total 200000
```
这里的意思是，文件系统的总共有 200,000 个块，其中：
- 70 个块用于元数据（这些是描述文件系统本身的数据块）
- 199,930 个块用于实际存储数据（数据块）
你可以把这看作是文件系统构建后，书架和书箱的分配情况：70 个书架用于存放“书库”的管理信息，其余的都用来存放实际的书籍（数据）。
重建文件系统：
如果在开发过程中你需要重新构建文件系统（比如修改了文件系统的设计），你可以运行 make clean，这会删除之前的文件系统，强制重新构建一个新的 fs.img。

通俗化解释：

你在做这个作业时，可以把 文件系统 想象成一个书库，每本书就是一个数据块。
mkfs 就像是一个工具，帮助你搭建这个书库，它决定书库一共会有多少个书架（块）。
在文件系统创建过程中，FSSIZE 就是控制书库的总容量（有多少个书架）。比如，200,000 块表示书库有 200,000 个“书架”，你可以用它们来存放数据。
元数据 是文件系统本身的管理信息，类似书库的管理者放置在特殊书架上的信息，比如如何分类、哪些书架还空着等。
数据块 就是实际存放文件内容的块，也就是你可以用来存放实际“书”的地方。

通过这样的理解，你会更清楚文件系统构建的基本框架，以及如何使用 mkfs 来创建一个文件系统。

格式指南

项目的结构如下图所示。你也可以使用 ls 命令检查你的目录结构是否正确。目录结构不匹配将导致扣分。

对于本次作业，你不需要为附加题（Bonus Part）单独创建文件夹。source 文件夹应包含以下四个文件：

fs.c
file.h
fs.h
sysfile.c

如果要提交第 4 次作业的附加题实现，请单独提交以下文件：

fs_ec.h
fs_ec.c

示例目录结构如下：

main@ubuntu:~/Desktop/Assignment_4_120010001$ ls
Report.pdf  source/
(一个文件夹和一个 PDF 文件)

在 source 文件夹下：

main@ubuntu:~/Desktop/Assignment_4_120010001/source$ ls
file.h  fs.c  fs.h  sysfile.c
(两个 .c 文件和两个 .h 文件)

请将包含所有所需文件的文件夹压缩成一个 zip 文件，文件名格式应为你的学号，具体如下：

示例文件名：Assignment_4_120010001.zip
报告（Report）应以 PDF 格式提交，并与源代码文件一起包含在压缩包中。格式不符将导致扣分。

压缩代码的示例步骤：

main@ubuntu:~/Desktop$ zip -q -r Assignment_4_120010001.zip Assignment_4_120010001
main@ubuntu:~/Desktop$ ls
Assignment_4_120010001                 
Assignment_4_120010001.zip

以下是对这段说明的翻译和整理：

指导说明

限制范围：
你的实现范围仅限于以下四个文件：
- fs.c
- file.h
- fs.h
- sysfile.c
代码需要从标记为 "TODO:" 的注释部分开始实现。
测试程序入口：
测试程序的入口文件是 bigfile.c 和 symlinktest.c，它们位于 xv6-labs-2022/user 目录下。
（这是你开始了解测试如何运行的地方。）
带有 (*) 的部分：
- 这些部分是引导性内容，介绍了工具和函数，帮助你理解系统的功能以及这些组件如何协同工作。
- 这些部分的代码你需要仔细阅读和理解，但不要修改，除非是标记了 "TODO:" 的部分。
指导建议：
1. 先理解引导部分的函数是如何工作的，以及如何使用这些函数。
2. 在开始实现作业之前，确保你已经对相关内容有了基本的理解。
3. 我们认为这些引导部分的内容已经足够完成本次作业。
可选内容（兴趣拓展）：
- 如果你对 xv6 系统感兴趣并希望深入学习，欢迎阅读《xv6-book》以获取更多细节：
  xv6-book PDF
没有 (*) 的部分：
- 这些部分是需要你实现的 "TODO:" 部分，包含逻辑说明。
- 在这些部分，你需要根据引导部分介绍的逻辑和提供的 API 来实现函数。
实现提示：
- 示例代码不会提供。
- 你需要根据引导部分提供的逻辑和 API 自行推导和实现代码功能。

预先准备与设计（吐槽：这部分作业比3050的指导清晰多了）

任务 1：支持大文件

1. 当前 xv6 文件系统的文件大小限制

现状：
- 目前 xv6 文件的最大大小是 268 个块，即 268 × BSIZE 字节（BSIZE 在 xv6 中是 1024 字节，即一个块的大小）。
- 这个限制来源于 xv6 的 inode 结构：
  - 每个 inode 包含 12 个直接块指针 和 1 个单重间接块指针。
  - 单重间接块指针 指向一个块，该块中可以存储 256 个数据块的地址。
  - 计算文件最大块数：12 + 256 = 268。

2. 当前测试程序问题：`bigfile` 命令

测试失败原因：
- bigfile 命令尝试创建一个 尽可能大的文件 并报告其大小。
- 提供的模板程序无法写满 256 块，因为测试期望文件能够支持 65803 块。
- 原因是：未修改的 xv6 系统将文件限制在 268 块，而不是测试期望的 65803 块。

3. 目标：实现双重间接块

修改需求：
- 修改 xv6 文件系统，使其支持 双重间接块。
- 每个 inode 添加一个 双重间接块指针。具体逻辑：
  1. 双重间接块指针 指向一个块（双重间接块），该块包含 256 个单重间接块的地址。
  2. 每个单重间接块包含 256 个数据块的地址。
修改后的最大块数：
- 文件最多可以有：
  256 × 256 + 256 + 11 = 65,803 块。
  - 解释：
    - 256 × 256：双重间接块支持的块数（256 个单重间接块，每个单重间接块支持 256 个数据块）。
    - 256：单重间接块本身支持的块数。
    - 11：剩下的直接块（从原来的 12 减去一个用于双重间接块指针）。

4. 可选任务：实现三重间接块（额外加分）

三重间接块的工作方式：
1. 每个 三重间接块 包含 256 个双重间接块的地址。
2. 每个双重间接块又指向 256 个单重间接块，每个单重间接块再指向 256 个数据块。
3. 结果是一个文件的块数可以大幅提升，达到： 256 × 256 × 256 + 256 × 256 + 256 + 11。
加分实现建议：
- 三重间接块的实现逻辑与双重间接块类似，主要是增加一层指针解析。
- 对文件系统性能要求更高，可以在完成双重间接块后尝试实现。

总结

目标任务：
- 修改文件系统的 inode 结构，增加对 双重间接块 的支持，从而提升文件系统的最大文件大小到 65803 块。
额外加分任务：
- 在双重间接块的基础上实现 三重间接块，进一步提升文件系统的支持能力。

以下是这段说明的翻译和解析，帮助你理解所需的定义和结构的作用：

定义与说明

阅读参考：

如需详细信息，可参阅《xv6-book》第 8.10 节。
根据以上提示和定义，代码中提供了修改后的结构，请仔细阅读代码中的注释。

修改后的定义（`kernel/fs.h` 中的宏定义）

宏定义解释：
- #define NDIRECT 11
  - 直接块的数量从 12 减少到 11。
  - 这是因为第 12 个直接块的位置被牺牲，改为存储 双重间接块指针。
- #define NINDIRECT (BSIZE / sizeof(uint))
  - 表示单重间接块中可以存储的块指针数量。
  - 计算公式：BSIZE / sizeof(uint)，即 1024 / 4 = 256。
- #define DNINDIRECT (NINDIRECT * NINDIRECT)
  - 表示双重间接块可以存储的数据块数量。
  - 计算公式：256 × 256 = 65536。
- #define MAXFILE (NDIRECT + NINDIRECT + DNINDIRECT)
  - 表示一个文件的最大块数（直接块 + 单重间接块 + 双重间接块）。
  - 计算公式：11 + 256 + 65536 = 65803。

修改后的结构（`kernel/fs.h` 中的 `dinode`）

struct dinode 的定义：
- 作用：表示磁盘上的 inode 结构，包含文件的元信息和块指针。
- 关键字段解释：
  - short type：文件类型。
  - short major：主设备号（仅适用于设备文件）。
  - short minor：次设备号（仅适用于设备文件）。
  - short nlink：文件链接数（硬链接数量）。
  - uint size：文件的大小（以字节为单位）。
  - uint addrs[NDIRECT + 2]：
    - addrs 是块地址数组：
      - 前 11 个地址是直接块指针。
      - 第 12 个地址是单重间接块指针。
      - 第 13 个地址是双重间接块指针（新增）。

修改后的结构（`kernel/file.h` 中的 `inode`）

struct inode 的定义：
- 作用：表示内存中的 inode 结构，是 dinode 的内存副本。
- 关键字段解释：
  - uint dev：设备号。
  - uint inum：inode 编号。
  - int ref：引用计数。
  - struct sleeplock lock：锁，用于保护结构中其他字段的并发访问。
  - int valid：是否已从磁盘加载。
  - uint addrs[NDIRECT + 2]：
    - 同 dinode 中的 addrs，用于存储直接块、单重间接块和双重间接块的指针。

修改注意事项

修改说明：
- 结构不可更改：上述的结构（dinode 和 inode）已提供，请勿修改。
- 仅在 TODO 标记部分实现逻辑。
关键变化总结：
- 直接块减少到 11：因为要为双重间接块腾出位置。
- 新增双重间接块支持：在 addrs 的最后一个位置存储双重间接块的指针。

//TODO

这一块主要是定义了文件系统中 inode 结构 和一些与块分配相关的宏，用于支持你在作业中实现对大文件的管理。下面是逐步解释，让你更容易理解它们的作用：

什么是 inode？

inode（索引节点）是文件系统中用来描述文件的一个核心数据结构。它不是存储文件内容本身，而是存储文件的元信息，比如：

文件的类型（普通文件、目录、设备文件等）
文件的大小
文件的块地址（指向实际存储数据的位置）

在这个作业中，你要修改 xv6 的 inode 结构以支持 双重间接块，从而使文件系统能管理更大的文件。

宏定义的作用

NDIRECT
- 表示直接块的数量。
- 直接块是 inode 中直接指向数据块的指针。
- 默认情况下是 12，但为了支持双重间接块，作业中改成了 11，把最后一个位置用于双重间接块指针。
NINDIRECT
- 表示单重间接块中可以存储的块地址数量。
- 单重间接块是 inode 指向的一个中间块，这个块不存放数据，而是存储其他块的地址。
- 计算公式是：
  NINDIRECT = BSIZE / sizeof(uint)
  其中 BSIZE = 1024，sizeof(uint) = 4，所以 NINDIRECT = 1024 / 4 = 256。
DNINDIRECT
- 表示双重间接块中可以存储的块地址数量。
- 双重间接块是一个两级指针：
  - 第一层存储指向单重间接块的地址（256 个）。
  - 每个单重间接块又存储 256 个数据块的地址。
  - 计算公式是：
    DNINDIRECT = NINDIRECT * NINDIRECT = 256 × 256 = 65536。
MAXFILE
- 表示一个文件能使用的最大块数，包括：
  - 11 个直接块。
  - 256 个单重间接块。
  - 65536 个双重间接块。
- 计算公式是：
  MAXFILE = NDIRECT + NINDIRECT + DNINDIRECT = 11 + 256 + 65536 = 65803。

`dinode` 和 `inode` 结构

1. `dinode`（磁盘上的 inode）

作用：这是保存在磁盘上的 inode 结构，记录文件的元信息和块指针。
字段解释：
- uint addrs[NDIRECT + 2]：
  - 存储文件块的指针数组：
    - 前 11 个是直接块指针。
    - 第 12 个是单重间接块指针。
    - 第 13 个是双重间接块指针。

2. `inode`（内存中的 inode）

作用：这是加载到内存中的 inode 结构，用于操作文件时临时存储。
字段解释：
- uint addrs[NDIRECT + 2]：
  - 同样存储直接块、单重间接块和双重间接块指针。

总结：这部分的重点

你需要了解的变化：
- NDIRECT 从 12 改为 11，用于给双重间接块腾出空间。
- addrs[NDIRECT + 2]：
  - 现在包含了双重间接块指针（第 13 个位置）。
这些定义和结构不需要修改：
- 它们是预先提供的基础代码，已经为你实现了双重间接块所需的结构调整。
你的任务：
- 在作业中，围绕这些结构实现双重间接块的逻辑，包括数据块分配、释放、读取和写入。

块管理相关 API 的详细说明

Block Management（块管理）

文件系统中的块管理是核心部分，用来分配、释放、读取和写入磁盘块。这些 API 主要分为以下几类：

定义在 fs.c 中的块操作函数
定义在 bio.c 中的缓冲区操作函数
定义在 log.c 中的日志记录函数

1. 块管理函数（定义在 `fs.c`）

1.1 `bzero(int dev, int bno)`

作用：将指定的磁盘块清零（所有内容置为 0）。
参数：
- dev：设备号，表示在哪个设备上执行操作。
- bno：块号，表示要清零的块。
比喻：这就像你借了一本旧书（磁盘块），需要先擦掉上面的字迹（清零）再开始使用。

1.2 `uint balloc(uint dev)`

作用：分配一个新的磁盘块，并将其内容清零。
返回值：
- 成功时返回新分配块的块号。
- 如果磁盘空间不足，返回 0。
比喻：这就像向图书管理员申请一本空白的新书。如果图书馆满了（磁盘空间不足），就无法分配。

1.3 `void bfree(int dev, uint b)`

作用：释放一个指定的磁盘块，使其可以被其他文件使用。
参数：
- dev：设备号。
- b：要释放的块号。
比喻：这就像你还书（释放块），让图书管理员把它放回书架，其他人可以借用。

2. 缓冲区管理函数（定义在 `bio.c`）

**2.1 `struct buf* bread(uint dev, uint blockno)`**

作用：从磁盘读取指定块到缓冲区，并返回一个已锁定的缓冲区对象。
返回值：返回一个指向缓冲区对象的指针。
比喻：这就像从仓库（磁盘）把一本书拿到借阅区（缓冲区），并锁定它以防止其他人同时访问。

**2.2 `void brelse(struct buf *b)`**

作用：释放缓冲区对象，将其移动到最近使用列表的头部，表示可以被其他进程使用。
参数：
- b：指向缓冲区对象的指针。
比喻：这就像你看完书后，把书放回借阅区的书架上，让其他人可以继续借阅。

3. 日志管理函数（定义在 `log.c`）

**3.1 `void log_write(struct buf *b)`**

作用：将缓冲区中的数据标记为已修改，并记录日志以便稍后写入磁盘。
典型用法：
1. 调用 bread() 获取缓冲区。
2. 修改缓冲区中的数据。
3. 调用 log_write() 记录修改。
4. 调用 brelse() 释放缓冲区。
比喻：这就像你拿到一本书后，在书上做笔记，然后告诉管理员这些修改需要最终保存到书里。

API 使用场景

这些 API 是实现文件系统操作的基础模块，具体用法如下：

分配和释放磁盘块：
- 使用 balloc() 分配一个新的磁盘块，并自动清零。
- 使用 bfree() 释放一个不再需要的磁盘块。
读取和操作磁盘块：
- 使用 bread() 从磁盘读取块到缓冲区。
- 修改缓冲区数据后，使用 log_write() 标记为已修改。
- 使用 brelse() 释放缓冲区。
清零磁盘块：
- 使用 bzero() 将一个磁盘块的内容清零。

总结：API 的关系与比喻

分配块：
- balloc() 就像借一本新书，同时自动清空书页内容。
- bfree() 就像还书，让其他人可以使用。
操作块：
- bread() 就像从仓库把书拿到借阅区，锁定它以防止冲突。
- 修改书后，使用 log_write() 记录你的修改，并稍后保存到仓库。
- brelse() 就是看完书后，放回借阅区供其他人使用。

下面是包含具体代码的内容以及每行代码的注释和比喻说明：

块管理代码

定义在 `fs.c` 中

// 将指定的磁盘块清零（将块内容全部置为 0）
static void bzero(int dev, int bno) {struct buf *bp = bread(dev, bno); // 从磁盘读取块 bno 到缓冲区memset(bp->data, 0, BSIZE);      // 将缓冲区中的数据清零log_write(bp);                   // 标记缓冲区为已修改，记录日志brelse(bp);                      // 释放缓冲区
}

逐行说明：

bread(dev, bno)：从设备号 dev 中读取块号 bno 的内容到缓冲区 bp。
- 比喻：从仓库（磁盘）取出书（块）到借阅区（缓冲区）。
memset(bp->data, 0, BSIZE)：将缓冲区的数据清零。
- 比喻：把书的内容擦掉，变成一本空白的书。
log_write(bp)：记录这次清零操作，稍后写回磁盘。
- 比喻：告诉管理员这本书已经被清零了，需要保存到仓库。
brelse(bp)：释放缓冲区。
- 比喻：把书放回借阅区的书架上，供其他人使用。

// 分配一个新的磁盘块，并清零其内容
static uint balloc(uint dev) {for (int b = 0; b < FSSIZE; b++) {        // 遍历磁盘所有块if (block_is_free(dev, b)) {         // 如果块 b 是空闲的bzero(dev, b);                   // 将块 b 的内容清零mark_block_used(dev, b);         // 将块 b 标记为已使用return b;                        // 返回新分配的块号}}return 0;                                // 如果没有可用的块，返回 0
}

逐行说明：

遍历块：通过循环遍历磁盘中的每个块。
- 比喻：管理员在整个仓库中寻找空白的书架。
block_is_free(dev, b)：检查块是否是空闲的。
- 比喻：检查这个书架是否没有放书。
bzero(dev, b)：将空闲块的内容清零。
- 比喻：如果书架是空的，先清空上面的灰尘。
mark_block_used(dev, b)：将块标记为已使用。
- 比喻：在记录本上标注这本书（块）已经借出去。
返回块号：如果找到空闲块，返回其编号。

// 释放一个磁盘块
static void bfree(int dev, uint b) {clear_block_usage(dev, b);   // 将块 b 标记为未使用
}

逐行说明：

clear_block_usage(dev, b)：将块号 b 标记为未使用。
- 比喻：把书架上的书还给图书馆，标记这个书架可以再次使用。

定义在 `bio.c` 中

// 从磁盘读取指定块到缓冲区，并返回缓冲区对象
struct buf* bread(uint dev, uint blockno) {struct buf *bp = buffer_cache_find(dev, blockno); // 在缓存中查找块if (!bp) {                                      // 如果缓存中没有bp = buffer_cache_allocate(dev, blockno);   // 分配一个新的缓冲区disk_read(dev, blockno, bp->data);          // 从磁盘读取块数据到缓冲区}lock_buffer(bp);                                // 锁定缓冲区，防止其他进程访问return bp;                                      // 返回缓冲区
}

逐行说明：

buffer_cache_find(dev, blockno)：先查找缓存中是否已有该块。
- 比喻：管理员先在借阅区（缓存）找这本书，看是否已经有人借出。
buffer_cache_allocate(dev, blockno)：如果缓存中没有，则分配一个新的缓冲区。
- 比喻：如果书不在借阅区，就分配一个新空位来存储这本书。
disk_read(dev, blockno, bp->data)：从磁盘读取块号为 blockno 的数据到缓冲区。
- 比喻：从仓库（磁盘）搬运书到借阅区。
lock_buffer(bp)：锁定缓冲区，防止其他进程访问。
- 比喻：管理员锁定书本，防止被多个人同时借走。

// 释放缓冲区
void brelse(struct buf *b) {unlock_buffer(b);          // 解锁缓冲区move_to_recent_list(b);    // 将缓冲区放到最近使用列表的头部
}

逐行说明：

unlock_buffer(b)：解锁缓冲区。
- 比喻：管理员解锁书本，允许其他人查看。
move_to_recent_list(b)：将缓冲区移到最近使用列表头部。
- 比喻：把书放到书架前排，方便下次快速找到。

定义在 `log.c` 中

// 记录缓冲区的修改，稍后写入磁盘
void log_write(struct buf *b) {pin_buffer(b);             // 增加缓冲区的引用计数，防止被替换mark_buffer_dirty(b);      // 标记缓冲区为已修改log_commit_buffer(b);      // 将修改记录到日志中
}

逐行说明：

pin_buffer(b)：增加引用计数，防止缓冲区被替换。
- 比喻：管理员标注这本书暂时不能借出，还在修改中。
mark_buffer_dirty(b)：标记缓冲区内容为脏数据，表示需要写回磁盘。
- 比喻：书已经被修改，管理员需要保存笔记。
log_commit_buffer(b)：将缓冲区的修改记录到日志。
- 比喻：管理员记录修改内容，稍后存档。

总结

这些 API 构成了文件系统中 磁盘块管理和缓存机制 的基础逻辑。
它们的主要功能是：
1. 分配、释放块（fs.c）：申请和回收磁盘上的存储空间。
2. 缓存管理（bio.c）：从磁盘读取数据到内存，并提供缓存机制。
3. 日志记录（log.c）：跟踪缓冲区的修改，确保数据一致性。