自己编写UNIX文件系统

自己编写UNIX文件系统

近日有人求助，要写一个UNIX文件系统作为暑假作业。这种事情基本是学操作系统的必须要做的或者是做过的，毕竟文件系统是操作系统课程的一个重要组成部分。要实现这个UNIX文件系统，很多人就扎进了UNIX V6的的系统源码，以及《莱昂氏UNIX源代码分析》和《返璞归真:UNIX技术内幕》这两本书，很多人出来了，很多人在里面迷失了...最终忘了自己只是要实现一个UNIX文件系统而已。

为何会迷失，因为代码不是自己写的，而且年代久远，编程理念不同了，作者为何那样写不一定就能理解，实际上对于任何别人写的代码，总是会有一些不易理解的地方，当然，如果作者水平超级高，那么代码也就相对容易理解。因此，写代码永远比读代码要容易！既然是要写一个文件系统，为何要用现成的UNIX V6代码呢？如果理解了UNIX文件的布局和结构，自己从零开始不参考任何现有的代码做一个也不是什么难事，最根本的是UNIX文件系统本身，至于说代码，仅仅是一个实现与用户操作的一个接口而已。如果代码是自己一点一点写的，那么你肯定能彻底明白每一行的每一个语句的精确含义，至于为何这么写，你当然及其明了！

本文留下我仓促间几个小时写的一个类UNIX文件系统的代码，不是让别人看的，是为了自己留档，因为本文已经说了，看别人的代吗只能学习经验，不能理解本质，更何况，你看的还得是超级一流的代码，而我写的，则是超级垃圾的代码。我只想说，理解问题的本质要比代码重要得多，代码，码，并不是很多人想象中的那般重要！本文的实现基于Linux系统，即在Linux系统上编写一个用户态程序，实现UNIX文件的IO接口以及操作。

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我一向坚持的原则，那就是任何东西的根本性的，本质上的原理以及背后的思想都是及其简单的，所谓的复杂性都是优化与策略化的扩展带来的，正如TCP一样，UNIX的文件系统也不例外！我们必须知道，什么是最根本的，什么是次要的。对于UNIX文件系统，最根本的就是其布局以及其系统调用接口，一个处在最低层，一个在最上层开放给用户，如下所示：

系统调用接口：open，write，read，close...

文件系统布局：引导快，超级块，inode区表，数据块区

所有的在二者中间的部分都是次要的，也就是说那些东西不要也行，比如高速缓冲，高速缓存，VFS层，块层...因此在我的实现代码中，并没有这些东西，我所做到的，仅仅是UNIX文件系统所要求必须做到的最小集，那就是：

面对一个按照UNIX文件系统标准布局的“块设备”，可以使用open，read，write等接口进行IO操作。

在实现中，我用一个标准的Linux大文件来模拟磁盘块，这样块的操作基本都映射到了Linux标准的write，read等系统调用了。

首先定义必要的结构体：

//超级块结构
struct filesys {
        unsigned int s_size;        //总大小                                         
        unsigned int s_itsize;        //inode表大小                                       
        unsigned int s_freeinodesize;    //空闲i节点的数量                         
        unsigned int s_nextfreeinode;    //下一个空闲i节点
        unsigned int s_freeinode[NUM];    //空闲i节点数组
        unsigned int s_freeblocksize;    //空闲块的数量         
        unsigned int s_nextfreeblock;    //下一个空闲块
        unsigned int s_freeblock[NUM];    //空闲块数组
        unsigned int s_pad[];        //填充到512字节 
};
//磁盘inode结构
struct finode {
        int fi_mode;            //类型：文件/目录
        int fi_uid_unused;        //uid，由于和进程无关联，仅仅是模拟一个FS，未使用，下同
        int fi_gid_unused;
        int fi_nlink;            //链接数，当链接数为0，意味着被删除
        long int fi_size;        //文件大小
        long int fi_addr[BNUM];        //文件块一级指针，并未实现多级指针
        time_t  fi_atime_unused;    //未实现
        time_t  fi_mtime_unused;
};
//内存inode结构
struct inode {
        struct finode  i_finode;
        struct inode    *i_parent;    //所属的目录i节点
        int    i_ino;            //i节点号
        int    i_users;        //引用计数
};
//目录项结构(非Linux内核的目录项)
struct direct
{
        char d_name[MAXLEN];        //文件或者目录的名字
        unsigned short d_ino;        //文件或者目录的i节点号
};
//目录结构
struct dir
{
        struct direct direct[DIRNUM];    //包含的目录项数组
        unsigned short size;        //包含的目录项大小   
};
//抽象的文件结构
struct file {
        struct inode *f_inode;        //文件的i节点
        int f_curpos;            //文件的当前读写指针
};

之所以叫做类UNIX文件系统，是因为我并没有去精确确认当时的UNIX文件系统的超级块以及inode表的结构，只是大致的模仿其布局，比如超级块中字段，以及字段的顺序可能和标准的UNIX文件系统并不完全一致。但是不管怎么说，当时的UNIX文件系统基本就是这个一个样子。另外，可以看到file结构体内容及其少，因为本质上，我只是想表示“一个inode节点相对于一个读写者来说，就是一个file”，仅此而已。接下来就是具体的实现了，我的方式是自下而上的，这样做的好处在于便于今后的扩展。那么首先要完成的就是i节点的分配和释放了，我的实现中，是将文件i节点映射到了内存i节点，这样或许违背了我的初衷，我不是说过不要那么多“额外”的东西来扰乱视听的吗？是的，然而比起那些所谓的额外的优化，我更不喜欢频繁的调用read和write。反正，只要自己能控制住局面即可。

在实现中，还有一个大事就是内存的分配与释放，这些也不是本质的，记住，要实现的仅仅是一个UNIX文件系统，其它的能绕开则绕开！显然malloc，free等也是我们要绕开的，于是我基本都使用预分配空间的东西-全局数组。以下是全局变量：

//内存i节点数组，NUM为该文件系统容纳的文件数
struct inode g_usedinode[NUM];
//ROOT的内存i节点
struct inode *g_root;
//已经打开文件的数组
struct file* g_opened[OPENNUM];
//超级块
struct filesys *g_super;
//模拟二级文件系统的Linux大文件的文件描述符
int g_fake_disk = -1;