基于C语言实现的Linux系统中的EXT2文件系统

简单文件系统的设计与实现

一、实验目的

以 Linux 系统中的 EXT2 文件系统为例，熟悉该文件系统内部数据结构的组织方式和基本处理流程，在此基础上设计并实现一个简单的文件系统。

二、实验环境

Linux
Microsoft Visual Code

三、实验内容

3.1 实验任务

仅列出必做部分

实现青春版 Ext2 文件系统功能包括：

创建文件/文件夹（数据块可预分配）；

读取文件夹内容；

复制文件；

关闭系统；

系统关闭后，再次进入该系统还能还原出上次关闭时系统内的文件部署。

为实现的文件系统实现简单的 shell 以及 shell 命令以展示实现的功能。

ls - 展示读取文件夹内容

mkdir - 创建文件夹

touch - 创建文件

cp - 复制文件

shutdown - 关闭系统

3.2 实验过程

首先对 disk.c 进行了解

disk.c 是本次实验提供的虚拟磁盘接口，可以看出，这个文件模拟了一个大小为

4MB 的磁盘。

inline int get_disk_size() 
{         return 4*1024*1024;  } 
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提供的一些接口：

static int create_disk() 
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用于创建磁盘，将一个文件名为 disk 的 4MB 文件用 0 填满，进行初始化；

int open_disk() 
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用于打开磁盘，即读取 disk 文件中的内容；

int disk_read_block(unsigned int block_num, char* buf) 
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读磁盘块，注意这里要与后面会用到的数据块、超级块区分开；

DEVICE_BLOCK_SIZE，即每一个磁盘块的大小为 512B，而后面的数据块大小为KB（1MB），即每个数据块占用 2 个磁盘块；

int disk_write_block(unsigned int block_num, char* buf) 
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与上面相反，写入磁盘块是将 buf 中的内容写到磁盘块中，同样 buf 的大小为 512B；

int close_disk() 
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关闭磁盘。

整体设计结构

shell.c —— 实现简单的 shell block.c —— 数据块相关操作 command.c —— 对于输入 cmd type 的处理 dir_item.c —— 目录项相关操作 disk.c —— 磁盘接口 init_fs.c —— 文件系统初始化 inode.c —— inode 相关操作 path.c —— 对于输入 cmd path 部分的处理 utils.c ——常用接口封装

实验原理的再理解

Ext2 文件系统

指导书中把文件系统的基本布局简化为：超级块、inode 数组、数据块数组。

其中：

超级块：记录系统的整体信息。

typedef struct super_block 
{    
     int32_t magic_num;        // 幻数     
     int32_t free_block_count; // 空闲数据块数     
     int32_t free_inode_count; // 空闲inode数     
     int32_t dir_inode_count;  // 目录inode数     
     uint32_t block_map[128];  // 数据块占用位图     
     uint32_t inode_map[32];   // inode占用位图 
} 
sp_block; 
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超级块记录文件系统的一些信息，分析一下占用大小可以发现，超级块占用字节为（32+32+32+32+32128+3232）/8 = 656B，超出了一个磁盘块的大小，为了我们处理起来比较方便，选择了让一个超级块占用 2 个磁盘块。 block_map 的每一个元素大小为 int32，而每一个比特代表一个数据块的使用情况，所以一共可以记录 128*32 个数据块的使用情况。

inode_map 同理，可以记录 32*32 个 inode 索引节点的占用情况。

inode 数组：对于每一个文件，对应一个 inode 结构体，记录文件大小、文件类型、连接数、数据块指针。

typedef struct inode 
{    
     uint32_t size;           // 文件大小     
     uint16_t file_type;      // 文件类型（文件/文件夹）     
     uint16_t link;           // 连接数     
     uint32_t block_point[6]; // 数据块指针 
} inode; 
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看得出来一个 inode 结构体的大小为 32B，而前面讲过，一个数据块的大小为，因此我们在这里定义两个量：

inode_map_index = inode_number / 32; bit_index = inode_number % 32; 
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这两个变量用于记录位图信息，inode_map_index 是 inode_map 的索引，而 bit_index 是用于修改每一比特的 0/1 大小。

block_point 大小为 6 个 int，那么这说明在文件系统中如果使用直接索引方式，文件大小不能超过 6KB。

文件和文件夹 dir_item：

这里为了简化整个系统的表示，实际上目录和文件的区别仅仅在于 dir_item 和 inode 中的 type 不同，也不涉及文件内容的修改，因此创建文件和文件夹的逻辑是类似的。

typedef struct dir_item 
{                      // 目录项一个更常见的叫法是 
    dirent(directory entry)     
    uint32_t inode_id; // 当前目录项表示的文件/目录的对应inode     
    uint16_t valid;    // 当前目录项是否有效    
    uint8_t type;      // 当前目录项类型（文件/目录） 
    char name[121];    // 目录项表示的文件/目录的文件名/目录名 
} dir_item; 
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可以计算出来一个 dir_item 的大小为 128B。

对于 shell 的理解

shell 的实现实际上之前在写 xv6 实验的时候已经试过，第一个是要实现对于输入 cmd 的拆分，将其拆分为 type 和 path。

type 是指 shell 命令，这里包括 ls、mkdir、touch、cp、shutdown，对于其他命令应该给与报错提示。

对于 path 的拆分处理放在了后面（使用堆栈实现）。

具体函数设计实现（节省篇幅，仅写出了每个命令的执行该过程，其他的注释里都有写，这里就不再重复了）。

void shutdown_cmd() 
{     
    close_disk();     
    exit(0); 
} 
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shutdown 命令直接就是调用 close_disk()函数接口来实现了。

ls_cmd() //ls 命令 
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ls 命令的输入是路径，而要根据路径进行处理，则要将路径进行一下拆分。这里用到了一个自己定义的函数 search_dir_item_by_path()，从函数名理解，即根据路径找到 dir_item，然后根据 dir_item，也有了 inode_id（在 dir_item 中有记录），调用 read_inode()函数，可以找到对应的 inode，再一级一级查找到 dir_item（此过程每次有一个上一目录和当前目录，然后结构类似于栈，每次到下一级目录以后，上一级目录出栈）。

touch_cmd() //touch 命令 
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根据输入的路径，路径的最后一级就是所要创建的文件，而之前的是文件夹。首先要对路径进行查找，如果路径不存在，则不能创建。创建文件与创建文件夹是类似的，创建新的 inode 和 dir_item 标记类型为 FILE 并更新之即可。

mkdir_cmd() //mkdir 命令 
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检测创建的目录是否为根目录，是根目录提示不能创建（第一次可以创建），不是根目录的话，找到上一级文件夹的 dir_item 和 inode，然后为需要创建的文件夹创建对应的 dir_item。

cp_cmd() //cp 命令 
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cp 命令是复制命令。这里首先要提到，之前在 shell 中 cmd 定义为二维数组，这样就可以方便对复制文件的原文件和复制后文件的路径进行管理，当然写报告的时候也想到了通过对空格进行检测的方式，也还是可以实现路径的分离的。