陸億紅 李波

摘要：本文闡述了圖示法在“模擬UNIX文件系統(tǒng)”大型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路及具體操作中的應(yīng)用，以期能夠鞏固和補(bǔ)充操作系統(tǒng)的原理教學(xué)，從而提高學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生能將操作系統(tǒng)中文件系統(tǒng)部分的概念具體化。

關(guān)鍵詞：UNIX文件系統(tǒng)；圖示法；實(shí)驗(yàn)；操作系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G720 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2016）08-0092-03

由于大部分學(xué)生平時(shí)接觸的是Windows操作系統(tǒng)，對(duì)UNIX操作系統(tǒng)不熟悉，所以為了幫助學(xué)生更好地理解UNIX文件系統(tǒng)，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用圖形解釋知識(shí)點(diǎn)，展示實(shí)驗(yàn)過程，從而使學(xué)生輕松地理解文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，更快地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。這種用圖形闡述知識(shí)點(diǎn)的方法，被稱之為圖示法。[1-5]

“模擬UNIX文件系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)概述

“模擬UNIX文件系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是用一個(gè)文件模擬UNIX文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

在UNIX系統(tǒng)中，把每個(gè)磁盤或磁帶看作是一個(gè)文件卷，在每個(gè)文件卷上可存放一個(gè)文件系統(tǒng)。每個(gè)文件系統(tǒng)，由一系列的邏輯塊組成，簡(jiǎn)稱盤塊。每個(gè)盤塊可為512、1024、2048字節(jié)或是512字節(jié)的整數(shù)倍，這些值可以在生成系統(tǒng)時(shí)直接指定。假定一個(gè)盤塊512字節(jié)，盤塊從0開始直到最大容量并按順序加以編號(hào)就成了一個(gè)文件卷，也叫文件系統(tǒng)。

一個(gè)文件卷的空間圖示如圖1，文件卷的空間通常被劃分為若干用途各不相同的部分：引導(dǎo)區(qū)、管理區(qū)、索引節(jié)點(diǎn)區(qū)和文件存儲(chǔ)區(qū)。

其中0#塊一般用于系統(tǒng)引導(dǎo)，1#塊為超級(jí)塊，2#塊到K#塊存放索引節(jié)點(diǎn)，即iNode，K+1#塊到N#塊存放文件。讀入并啟動(dòng)操作系統(tǒng)由引導(dǎo)塊完成。[6]超級(jí)塊用于記錄文件系統(tǒng)中盤塊和磁盤索引結(jié)點(diǎn)的使用情況，主要包括文件系統(tǒng)的盤塊數(shù)目、空閑盤塊號(hào)棧、空閑盤塊號(hào)數(shù)目、空閑磁盤索引結(jié)點(diǎn)號(hào)棧、空閑磁盤索引結(jié)點(diǎn)數(shù)目、超級(jí)塊修改標(biāo)志和修改時(shí)間等。

模擬UNIX文件系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)完成一個(gè)UNIX文件系統(tǒng)的子集的模擬實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)可以忽略引導(dǎo)塊。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

1.基本原理

為了加快目錄查詢速度，UNIX目錄項(xiàng)只保留文件名和索引節(jié)點(diǎn)號(hào)，索引節(jié)點(diǎn)則保存除文件名外的有關(guān)信息。[7]UNIX文件系統(tǒng)的超級(jí)塊含有文件系統(tǒng)各個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大小，索引節(jié)點(diǎn)的位置可據(jù)此得到。而UNIX文件系統(tǒng)創(chuàng)建時(shí)生成的第一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)則對(duì)應(yīng)根目錄，找到根目錄后，就可以對(duì)目錄樹進(jìn)行搜索，查找所需要的目錄項(xiàng)，從而找到所需要的文件，進(jìn)而對(duì)文件進(jìn)行各種操作。

而UNIX把普通文件與目錄文件都存放在磁盤或磁帶上，一個(gè)磁盤就是一個(gè)文件系統(tǒng)。例如，一個(gè)磁盤有200塊，那么就先生成一個(gè)200×512B的文本文件，512B就是一個(gè)磁盤塊，然后建立根目錄root，根目錄在文件區(qū)，假設(shè)存放索引節(jié)點(diǎn)的盤塊數(shù)是12塊，再加上引導(dǎo)塊，那么從13#盤塊開始存放文件，根的目錄文件就放在13#盤塊，每個(gè)目錄至少有兩個(gè)目錄項(xiàng)，即父目錄和當(dāng)前目錄。假設(shè)一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)占32個(gè)字節(jié)，根目錄的索引節(jié)點(diǎn)就是第1個(gè)索引節(jié)點(diǎn)，放在第1塊的前32個(gè)字節(jié)中，把索引節(jié)點(diǎn)內(nèi)容填寫好，還可以再初始化一些目錄。目錄文件放在文件區(qū)，填寫好相應(yīng)索引節(jié)點(diǎn)內(nèi)容，然后根據(jù)初始化的結(jié)果，把空閑數(shù)據(jù)盤塊分組，按照成組鏈接法鏈接，設(shè)置好空閑盤塊號(hào)棧。同理，設(shè)置好空閑索引節(jié)點(diǎn)號(hào)棧，對(duì)超級(jí)塊進(jìn)行初始化，超級(jí)塊內(nèi)容放在0#塊。然后，開始一系列的操作。

2.文件卷的組織

假設(shè)文件卷總共有200個(gè)盤塊。用棧和成組鏈接法來管理空閑索引節(jié)點(diǎn)和空閑盤塊；盤塊的大小設(shè)計(jì)為512字節(jié)，其中0#塊為超級(jí)塊（引導(dǎo)塊忽略），用于管理盤塊的信息以及管理空閑盤塊。1#～12#塊共12塊用于存放索引節(jié)點(diǎn)，由于每個(gè)索引節(jié)點(diǎn)大小為32字節(jié)，一個(gè)塊可以存放16個(gè)索引節(jié)點(diǎn)，13#～199#塊用于存放數(shù)據(jù)塊。文件卷結(jié)構(gòu)[8]圖示如圖2。

3.超級(jí)塊

超級(jí)塊[9]用于管理索引節(jié)點(diǎn)和盤塊的使用情況及分配信息，存放文件系統(tǒng)的盤塊數(shù)目、索引節(jié)點(diǎn)號(hào)棧的指針、索引節(jié)點(diǎn)號(hào)棧中元素個(gè)數(shù)、成組鏈接法管理的空閑盤塊號(hào)棧的指針和空閑盤塊號(hào)棧中元素的個(gè)數(shù)，以及對(duì)于整個(gè)文件系統(tǒng)的盤塊地址等。

4.空閑盤塊

空閑盤塊采用成組鏈接法[10]管理（如圖3），每組10塊，13#～99#分為9組，每組的最后一個(gè)盤塊存放下一組的盤塊號(hào)信息。最后一組只有7塊，加上0作為結(jié)束標(biāo)志。在超級(jí)塊中用一個(gè)一維數(shù)組（10個(gè)元素）作為空閑磁盤塊棧，放入第一組盤塊。

5.索引節(jié)點(diǎn)

索引節(jié)點(diǎn)[11]主要包括文件的字節(jié)數(shù)，文件擁有者的User ID，文件的Group ID，文件的讀、寫、執(zhí)行權(quán)限，文件的時(shí)間戳，鏈接數(shù)（即有多少文件名指向這個(gè)索引節(jié)點(diǎn)），文件物理地址等。

文件物理地址為7項(xiàng)：4個(gè)直接地址、1個(gè)一次間址、1個(gè)兩次間址、1個(gè)三次間址。

每個(gè)索引節(jié)點(diǎn)大小為32B，一個(gè)塊可以存放16個(gè)索引節(jié)點(diǎn)，1#～12#塊共12塊用于存放索引節(jié)點(diǎn)，總共有192個(gè)索引節(jié)點(diǎn)。空閑索引節(jié)點(diǎn)采用成組鏈接法管理，每組20個(gè)，分為10組，最后一組12個(gè)。在超級(jí)塊中用一維數(shù)組（20個(gè)元素）作為空閑索引節(jié)點(diǎn)號(hào)棧。

6.目錄

每個(gè)目錄是一個(gè)文件，每個(gè)目錄包含若干個(gè)目錄項(xiàng)。一個(gè)目錄項(xiàng)包括索引節(jié)點(diǎn)編號(hào)和文件名。[12]

實(shí)驗(yàn)過程說明

下面以下頁圖4為例，說明如何構(gòu)建文本文件模擬UNIX文件系統(tǒng)（圖中“i”表示索引節(jié)點(diǎn)，“13#”表示索引節(jié)點(diǎn)中的物理地址項(xiàng)內(nèi)容為13#盤塊）。

根據(jù)圖4，根目錄文件有目錄項(xiàng)五個(gè)，名字分別為“.”“..” “bin”“usr”“dev”，它們的索引節(jié)點(diǎn)編號(hào)分別為1、1、2、3、4，其中

“.”表示當(dāng)前目錄，“..”表示父目錄。而根目錄的當(dāng)前目錄和父目錄都為其自身，因此它們的索引節(jié)點(diǎn)編號(hào)皆為1。根目錄的索引節(jié)點(diǎn)編號(hào)為1，寫在磁盤1#盤塊的第一個(gè)32字節(jié)處，假設(shè)根目錄文件寫在磁盤13#盤塊，1#索引節(jié)點(diǎn)的文件物理地址處寫13#。同理，假設(shè)bin目錄文件、usr目錄文件、dev目錄文件分別寫在14#、15#、16#盤塊，其索引節(jié)點(diǎn)編號(hào)為2、3、4的文件物理地址處分別寫14#、15#、16#，依此類推。

初始化后的文本文件如圖5所示，圖中每一行代表一個(gè)磁盤塊。

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作者簡(jiǎn)介：陸億紅（1968-），女，浙江東陽，碩士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫應(yīng)用；李波（1979-），男，河南新縣，博士，講師，研究方向?yàn)椴⑿杏?jì)算，高性能計(jì)算。