操作系统 4.5-文件使用磁盘的实现

通过文件进行磁盘操作入口

// 在fs/read_write.c中
int sys_write(int fd, const char* buf, int count)
{struct file *file = current->filp[fd];struct m_inode *inode = file->inode;if (S_ISREG(inode->i_mode))return file_write(inode, file, buf, count);
}

进程控制块（PCB）：
- current 是指向当前进程控制块（PCB）的指针。PCB 包含了进程的所有信息，包括打开的文件列表。
文件指针数组（filp）：
- current->filp[fd] 访问当前进程的文件指针数组，获取与文件描述符 fd 关联的 file 结构。
文件结构（file）：
- struct file 包含了打开文件的所有信息，包括指向 inode 的指针。
inode 结构：
- struct m_inode 是文件的元数据结构，包含了文件的属性（如权限、大小、数据块位置等）。
- inode->i_mode 包含了文件的类型和权限信息。
文件写入操作：
- file_write(inode, file, buf, count) 是实际执行文件写入操作的函数，它将 buf 中的 count 字节数据写入到由 inode 和 file 描述的文件中。
文件类型检查：
- S_ISREG(inode->i_mode) 检查 inode 表示的是否是一个普通文件。如果是，才执行写入操作。
数据流和控制流：
- 图中展示了从 write(fd) 调用开始，通过 PCB 和文件表，最终访问到 inode 和数据盘块的过程。

File_write

工作流程分析

确定要写入的字符段：
- 首先，需要确定要写入文件的字符段。这通常由文件的读写指针决定，该指针指示了文件中的当前位置。通过修改这个指针（例如使用 fseek），可以改变写入的起始位置，然后加上要写入的字符数量（count）来确定结束位置。
找到要写的盘块号：
- 确定了要写入的字符段后，下一步是找到这些字符对应的磁盘块号。这是通过文件的 inode 结构来实现的，inode 包含了文件的元数据，包括文件数据块的位置信息。
形成写入请求并执行写入：
- 使用找到的盘块号和要写入的数据（buf），形成一个写入请求（request），然后将这个请求放入磁盘调度算法（如电梯算法）中进行处理，以优化磁盘I/O操作。

函数参数解释：

inode：
- 这是一个指向文件的 inode 结构的指针。inode 包含了文件的元数据，如文件类型、权限、所有者、文件大小以及指向文件数据块的指针等。在写入操作中，inode 用于查找文件数据块的位置。
file：
- 这是一个指向文件结构的指针。文件结构包含了打开文件的所有信息，包括文件状态标志、文件的读写指针等。在写入操作中，file 结构用于获取文件的当前位置和状态。
buf：
- 这是一个指向要写入文件的数据缓冲区的指针。buf 包含了实际要写入文件的数据。
count：
- 这是一个整数，表示要写入文件的字节数。count 与 buf 参数一起，指定了要写入文件的数据量。

实现

以下是带有详细注解的 file_write 函数代码，解释了每一部分的功能和作用：

// file_write函数用于将数据从用户缓冲区写入到文件对应的磁盘块中
int file_write(struct m_inode *inode, struct file *filp, char *buf, int count)
{off_t pos; // 定义一个变量pos，用于记录写入文件的起始位置
// 根据文件的读写标志（O_APPEND）和当前文件位置（filp->f_pos）确定写入的起始位置if (filp->f_flags & O_APPEND)pos = inode->i_size; // 如果设置了追加标志，则从文件末尾开始写入elsepos = filp->f_pos; // 否则，从文件当前位置开始写入
// 当还有字节需要写入时，继续循环while (i < count) {block = create_block(inode, pos / BLOCK_SIZE); // 创建或分配一个新的磁盘块bh = bread(inode->i_dev, block); // 读取指定的磁盘块到内存中，并将块地址存储在bh中
int c = pos % BLOCK_SIZE; // 计算当前块内的偏移char *pc = c + bh->b_data; // 计算内存中块数据区域的起始地址bh->b_dirt = 1; // 标记块为脏块，表示该块已被修改，需要写回磁盘c = BLOCK_SIZE - c; // 计算剩余需要写入的字节数pos += c; // 更新文件位置
// 将用户缓冲区buf中的数据逐字节写入到内存中的块数据区域bh->b_datawhile (c-- > 0)*(pc++) = get_fs_byte(buf++);
brelse(bh); // 释放缓冲区，将其返回到缓冲区管理中}
filp->f_pos = pos; // 更新文件的当前位置
}

确定写入位置：
- 通过检查文件的读写标志和当前文件位置，确定写入操作的起始位置。
循环写入数据：
- 使用 while 循环，根据要写入的字节数 count，逐块写入数据。
创建和读取磁盘块：
- create_block 函数用于创建或分配一个新的磁盘块。
- bread 函数用于读取指定的磁盘块到内存中，并将块地址存储在 bh（缓冲头）中。
计算块内偏移和剩余字节数：
- 计算当前块内的偏移 c 和剩余需要写入的字节数。
写入数据：
- 将用户缓冲区 buf 中的数据逐字节写入到内存中的块数据区域 bh->b_data。
标记块为脏块：
- 将 bh->b_dirt 设置为 1，表示该块已被修改，需要写回磁盘。
释放缓冲区：
- 使用 brelse 函数释放缓冲区，将其返回到缓冲区管理中。
更新文件位置：
- 更新文件的当前位置 filp->f_pos，以便后续操作可以从正确的位置开始。

通过这些步骤，file_write 函数实现了将用户数据写入文件的完整过程，包括确定写入位置、创建和读取磁盘块、写入数据、标记块为脏块以及更新文件位置等。

Create_block

图中展示了 create_block 函数和 _bmap 函数的代码，这些函数用于在文件系统中创建和映射磁盘块。以下是提取的代码和注解：

提取的代码：

// create_block函数用于根据inode和块号分配或创建一个新的磁盘块
int create_block(struct m_inode *inode, int block)
{while (i < count) {block = create_block(inode, pos / BLOCK_SIZE);bh = bread(inode->i_dev, block);}
int _bmap(m_inode *inode, int block, int create){if (block < 7) {if (create && !inode->i_zone[block]) {inode->i_zone[block] = new_block(inode->i_dev);inode->i_ctime = CURRENT_TIME;inode->i_dirt = 1;}return inode->i_zone[block];}block -= 7;if (block < 512) {bh = bread(inode->i_dev, inode->i_zone[7]);return (bh->b_data)[block];}}
}

代码注解：

create_block函数：
- 这个函数用于根据给定的 inode 和块号 block 分配或创建一个新的磁盘块。
- 它通过调用 _bmap 函数来实现块的映射和创建。
_bmap函数：
- 这是一个辅助函数，用于处理块号的映射。
- 它首先检查块号是否小于7，这7个块号直接存储在 inode 的 i_zone 数组中。
- 如果块号小于7，并且需要创建新块（create 为真且当前块号未分配），则调用 new_block 函数分配新块，更新 inode 的 i_ctime 和 i_dirt 标志。
- 如果块号大于等于7且小于512，表示这是一个一重间接块，需要读取间接块表并找到对应的块号。
new_block函数：
- 这个函数用于分配一个新的磁盘块。具体实现未在图中展示，但通常涉及查找空闲块、分配块号等操作。
bread函数：
- 这个函数用于读取指定的磁盘块到内存中。它将块地址存储在 bh（缓冲头）中，以便后续操作。

总结：

这段代码实现了文件系统中磁盘块的分配和映射机制。通过 create_block 和 _bmap 函数，系统可以根据文件的 inode 和块号动态分配和映射磁盘块。这种机制支持文件的动态增长和高效的磁盘空间管理。

通过间接块表（如一重间接和二重间接块表），文件系统还可以支持非常大的文件，即使单个文件的数据量超过了直接块表所能表示的范围。

m_inode

图中展示了与设备文件的 inode 结构相关的代码，以及如何通过 sys_open 函数打开设备文件。以下是提取的代码和注解：

提取的代码：

// m_inode结构体定义，用于表示设备文件的inode
struct m_inode {unsigned short i_mode; // 文件的类型和属性unsigned short i_zone[9]; // 指向文件内容数据块struct task_struct *i_wait; // 多个进程共享的打开这个inode，有的进程等待...unsigned short i_count; // unsigned char i_lock; // unsigned char i_dirt; // 
};

// sys_open函数用于打开文件或设备
int sys_open(const char* filename, int flag)
{if (S_ISCHR(inode->i_mode)) { // 检查是否为字符设备文件if (MAJOR(inode->i_zone[0]) == 4) { // 检查设备文件类型current->tty = MINOR(inode->i_zone[0]); // 设置当前进程的tty}}
}

// 宏定义，用于从设备号中提取主设备号和次设备号
#define MAJOR(a) ((((unsigned)(a)) >> 8)) // 取高字节
#define MINOR(a) ((a) & 0xff) // 取低字节

代码注解：

m_inode结构体：
- i_mode：表示文件的类型和属性，例如普通文件、目录、字符设备等。
- i_zone：一个数组，用于存储指向文件内容数据块的指针或设备号等信息。
- i_wait：指向等待该inode的进程的task_struct结构体。
- i_count：表示当前有多少个进程打开了该inode。
- i_lock：用于控制对inode的访问，防止并发访问导致的问题。
- i_dirt：表示inode是否被修改，需要写回磁盘。
sys_open函数：
- 该函数用于打开文件或设备。
- S_ISCHR(inode->i_mode)：检查文件是否为字符设备文件。
- MAJOR(inode->i_zone[0]) 和 MINOR(inode->i_zone[0])：从设备号中提取主设备号和次设备号。
- current->tty：设置当前进程的tty（终端设备）。
宏定义：
- MAJOR(a)：从设备号中提取主设备号（高字节）。
- MINOR(a)：从设备号中提取次设备号（低字节）。

总结：

这段代码展示了如何使用 m_inode 结构体来表示设备文件的inode，并演示了如何通过 sys_open 函数打开设备文件。

文件视图的两条路

读写磁盘的过程：

用户发起文件操作
- 用户通过 write 或 read 系统调用操作文件。
- 传递参数：文件描述符（FD）、内存缓冲区（buff）、操作字节数（count）。
系统调用转换
- write 调用内核中的 sys_write，read 调用 sys_read。
- 需要获取文件的 inode（索引节点）信息。
计算目标磁盘块
- 通过文件结构 file 获取文件指针 f_pos，确定字符流中的位置。
- 根据 inode 及索引结构，计算出对应的磁盘块号（block）。
- 采用直接索引、一级索引、二级索引等方式解析出数据块。
磁盘操作
- 读操作：调用 bread() 读取磁盘数据到缓存，再复制到用户缓冲区。
- 写操作：调用 bwrite() 将用户缓冲区数据写入磁盘缓存，并同步到磁盘。
磁盘调度与完成
- 磁盘请求加入电梯调度队列。
- 设备驱动完成磁盘读写，系统中断通知完成。
- 若是写操作，需更新 f_pos 以维护文件流的连续性。

输出到显示器的过程：

用户发起输出请求
- 例如 printf()、write(1, buff, count)，其中 1 代表标准输出（stdout）。
系统调用转换
- 进入内核，调用 sys_write 处理。
- 识别文件描述符 1 代表标准输出（显示器）。
数据传输到终端设备
- 由于 stdout 不是磁盘文件，而是字符设备，直接走 tty 终端驱动。
- 终端驱动 tty_write 处理输出，将数据放入 tty 缓冲区。
驱动程序与硬件交互
- tty 设备驱动调用 console_driver，执行 putc() 逐字符输出到屏幕。
- 可能涉及 VGA、framebuffer 或 UART 串口等设备。
显示完成
- 终端驱动完成数据输出，可能触发屏幕刷新或回显。
- 若是行缓冲模式，遇到 \n 或缓冲区满才实际输出。