MIT 6.828 Lab5：File system, Spawn and Shell

目錄

• MIT 6.828 Lab5：File system, Spawn and Shell
  • 概括總結
• File system preliminaries
  • On-Disk File System Structure
    • 補充：inode
  • Sectors and Blocks
  • Superblocks
  • File Meta-data
  • Directories versus Regular Files
• The File System
  • Disk Access
  • Exercise 1
  • Question
• The Block Cache
  • Exercise 2
    • 練習2做完後瘋狂報錯
• The Block Bitmap
  • Exercise 3
• File Operations
  • Exercise 4
    • 練習4做完後瘋狂報錯✖2
• The file system interface
  • fsipc聯合體
  • Exercise 5
  • Exercise 6
• Spawning Processes
  • Exercise 7
• Sharing library state across fork and spawn
  • Exercise 8

概括總結

本lab將實現JOS的檔案系統，只要包括如下四部分：

1. 引入一個檔案系統程序（FS程序）的特殊程序，該程序提供檔案操作的介面。
2. 建立RPC機制，客戶端程序向FS程序傳送請求，FS程序真正執行檔案操作，並將資料返回給客戶端程序。
3. 更高階的抽象，引入檔案描述符。通過檔案描述符這一層抽象就可以將控制檯，pipe，普通檔案，統統按照檔案來對待。（檔案描述符和pipe實現原理）
4. 支援從磁碟載入程式並執行。

File system preliminaries

我們要完成一個相對簡單的檔案系統，其可以實現建立、讀、寫以及刪除在分層目錄結構中組織的檔案。目前我們的OS只支援單使用者，因此我們的檔案系統也不支援UNIX檔案擁有或許可權的概念。同時也不支援硬連結、符號連結、時間戳或是特別的裝置檔案。

On-Disk File System Structure

大多是 Unix 檔案系統將磁碟空間分為 inode和資料 區域。目錄包含檔名和指向inode的指標; 如果檔案系統中的多個目錄引用該檔案的inode，則稱檔案是硬連結的。由於我們的檔案系統不需要支援硬連結，因此我們不需要這一間接層並且能做一個方便的簡化：我們的檔案系統根本不使用inode

補充：inode

inode其實本質就是作業系統課程學習的“索引結點”。剛開始看到這裡其實有點混亂，感覺不知道對應學的哪部分知識（可能是因為上學期學作業系統是中文學的，有些名詞對不上）。複習了檔案系統的知識之後，恍然發現這就是索引結點！

檔案儲存在硬碟上，硬碟的最小儲存單位叫做“扇區”（Sector）。每個扇區儲存512位元組（相當於0.5KB）。

作業系統讀取硬碟的時候，不會一個個扇區的讀取，這樣效率太低，而是一次性連續讀取多個扇區，即一次性讀取一個“塊”（block）。這種由多個扇區組成的“塊”，是檔案存取的最小單位。“塊”的大小，最常見的是4KB，即連續八個sector組成一個block。

檔案資料都儲存在“塊”中，那麼很顯然，我們還必須找到一個地方儲存檔案的“元資訊”，比如檔案的建立者、檔案的建立日期、檔案的大小等等。這種儲存檔案元資訊的區域就叫做*inode*，中文譯名為"*索引節點*"。

每一個檔案都有對應的inode，裡面包含了與該檔案有關的一些資訊。

Sectors and Blocks

大部分磁碟都是以Sector為粒度進行讀寫，JOS中Sectors為512位元組。檔案系統以block為單位分配和使用磁碟。注意區別，sector size是磁碟的屬性，block size是作業系統使用磁碟的粒度。JOS的檔案系統的block size被定為4096位元組 ( 4kB ) 。

Superblocks

檔案系統使用一些特殊的block儲存檔案系統屬性元資料，比如block size, disk size, 根目錄位置等。這些特殊的block叫做superblocks。
我們的檔案系統使用一個superblock，位於磁碟的block 1。block 0被用來儲存boot loader和分割槽表。

struct Super {
    uint32_t s_magic;        // Magic number: FS_MAGIC
    uint32_t s_nblocks;        // Total number of blocks on disk
    struct File s_root;        // Root directory node
};

File Meta-data

我們的檔案系統使用struct File結構描述檔案，該結構包含檔名，大小，型別，儲存檔案內容的block號。struct File結構的f_direct陣列儲存前NDIRECT（10）個block號，這樣對於10*4096=40KB的檔案不需要額外的空間來記錄內容block號。對於更大的檔案我們分配一個額外的block來儲存4096/4=1024 block號。