MIT 6.S081 Lab9: file system_综合

介绍

写在前面

这个实验是文件系统，内容是扩充 xv6 的文件系统大小和实现软链接，实验地址在这里。感觉到这里是操作系统的另一个视图了，跟前面的虚拟内存和进程不太一样，相比来说，操作系统这部分的知识简单一些。为此我去补充了一下相关的知识，再次感觉这门课真好，。能力太差了，写代码花了好长时间，，代码放在了github上。

文件系统

xv6 的文件系统和许多其他系统的实现大体是相同的，只不过很多地方简化了很多。存储文件的方式都是以 block 的形式。物理磁盘在读写时，是以扇区为单位的，通常来讲，每个扇区是 512 个字节。但操作系统读取磁盘时，由于寻道的时间是很长的，读写数据的时间反而没那么久，因此会操作系统一般会读写连续的多个扇区，所使用的时间几乎一样。操作系统以多个扇区作为一个磁盘块，xv6是两个扇区，即一个 block 为 1024 个字节。

磁盘只是以扇区的形式存储数据，但如果没有一个读取的标准，该磁盘就是一个生磁盘。磁盘需要按照操作系统读写的标准来存储数据，格式如下：

xv6磁盘组织方式
从中可以看到，磁盘中不同区域的数据块有不同的功能。第 0 块数据块是启动区域，计算机启动就是从这里开始的；第 1 块数据是超级块，存储了整个磁盘的信息；然后是 log 区域，用于故障恢复；bit map 用于标记磁盘块是否使用；然后是 inode 区域和 data 区域。

磁盘中主要存储文件的 block 是 inode 和 data。操作系统中，文件的信息是存放在 inode 中的，每个文件对应了一个 inode，inode 中含有存放文件内容的磁盘块的索引信息，用户可以通过这些信息来查找到文件存放在磁盘的哪些块中。inodes 块中存储了很多文件的 inode。

实验内容

任务一（Large files）

xv6中的 inode 有 12个直接索引（直接对应了 data 区域的磁盘块），1个一级索引（存放另一个指向 data 区域的索引）。因此，最多支持 12 + 256 = 268 个数据块。如下图所示：

xv6的inode

因为这个设计，xv6 中存储文件的大小受到了限制，因此本实验的第一个任务就是通过实现二级索引扩大所支持的文件大小。

第一步，修改 inode 数据结构

kernel/fs.h 文件中减小 NDIRECT 的值，为二级索引留一个位置：

#define NDIRECT 11
#define NINDIRECT (BSIZE / sizeof(uint))
#define NDINDIRECT NINDIRECT * NINDIRECT
#define MAXFILE (NDIRECT + NINDIRECT + NDINDIRECT)// On-disk inode structure
struct dinode {
    short type;           // File typeshort major;          // Major device number (T_DEVICE only)short minor;          // Minor device number (T_DEVICE only)short nlink;          // Number of links to inode in file systemuint size;            // Size of file (bytes)uint addrs[NDIRECT+2];   // Data block addresses
};

上面的是磁盘中的 inode 结构，还需要在 kernel/file.h 中更改内存中的 inode 结构：

// in-memory copy of an inode
struct inode {
    uint dev;           // Device numberuint inum;          // Inode numberint ref;            // Reference countstruct sleeplock lock; // protects everything below hereint valid;          // inode has been read from disk?short type;         // copy of disk inodeshort major;short minor;short nlink;uint size;uint addrs[NDIRECT+2];
};

第二步，实现 bmap 映射

仿照一级索引，写一下二级索引，在 kernel/fs.c 中添加代码：

static uint
bmap(struct inode *ip, uint bn)
{
    uint addr, *a;struct buf *bp;if(bn < NDIRECT){
    if((addr = ip->addrs[bn]) == 0)ip->addrs[bn] = addr = balloc(ip->dev);return addr;}bn -= NDIRECT;if(bn < NINDIRECT){
    // Load indirect block, allocating if necessary.if((addr = ip->addrs[NDIRECT]) == 0)ip->addrs[NDIRECT] = addr = balloc(ip->dev);bp = bread(ip->dev, addr);a = (uint*)bp->data;if((addr = a[bn]) == 0){
    a[bn] = addr = balloc(ip->dev);log_write(bp);}brelse(bp);return addr;}// 二级索引bn -= NINDIRECT;if(bn < NDINDIRECT) {
    if((addr = ip->addrs[NDIRECT+1]) == 0)ip->addrs[NDIRECT+1] = addr = balloc(ip->dev);// 通过一级索引，找到下一级索引bp = bread(ip->dev, addr);a = (uint*)bp->data;if((addr = a[bn/NINDIRECT]) == 0) {
    a[bn/NINDIRECT] = addr = balloc(ip->dev);log_write(bp);}brelse(bp);// 重复上面的代码，实现二级索引bp = bread(ip->dev, addr);a = (uint*)bp->data;if ((addr = a[bn%NINDIRECT]) == 0) {
    a[bn%NINDIRECT] = addr = balloc(ip->dev);log_write(bp);}brelse(bp);return addr;}panic("bmap: out of range");
}

第三步，itrunc 清理

在 kernel/fs.c 中，添加第二级索引的释放操作：

void
itrunc(struct inode *ip)
{
    ...if(ip->addrs[NDIRECT+1]) {
    bp = bread(ip->dev, ip->addrs[NDIRECT+1]);a = (uint*)bp->data;for(j = 0; j < NINDIRECT; j++) {
    if(a[j]) {
    bp2 = bread(ip->dev, a[j]);a2 = (uint*)bp2->data;for(i = 0; i < NINDIRECT; i++) {
    if(a2[i]) bfree(ip->dev, a2[i]);}brelse(bp2);bfree(ip->dev, a[j]);a[j] = 0;}}brelse(bp);bfree(ip->dev, ip->addrs[NDIRECT+1]);ip->addrs[NDIRECT] = 0;}ip->size = 0;iupdate(ip);
}

任务二（Symbolic links）

硬链接是指多个文件名指向同一个inode号码。有以下特点：

可以用不同的文件名访问同样的内容；
对文件内容进行修改，会影响到所有文件名；
删除一个文件名，不影响另一个文件名的访问。

而软链接也是一个文件，但是文件内容指向另一个文件的 inode。打开这个文件时，会自动打开它指向的文件，类似于 windows 系统的快捷方式。

xv6 中没有符号链接（软链接），这个任务需要我们实现一个符号链接。

第一步，增加 symlink 系统调用

user/usys.pl

entry("symlink");

user/user.h

int symlink(const char*, const char*);

kernel/syscall.h

#define SYS_symlink 22

kernel/syscall.c

extern uint64 sys_symlink(void);[SYS_symlink] sys_symlink,

knerl/sysfile.c

最后是实现系统调用函数，先从寄存器中读取参数，然后开启事务，避免提交出错；为这个符号链接新建一个 inode；在符号链接的 data 中写入被链接的文件；最后，提交事务：

uint64
sys_symlink(void)
{
      char path[MAXPATH], target[MAXPATH];struct inode *ip;// 读取参数if(argstr(0, target, MAXPATH) < 0)return -1;if(argstr(1, path, MAXPATH) < 0)return -1;// 开启事务begin_op();// 为这个符号链接新建一个 inodeif((ip = create(path, T_SYMLINK, 0, 0)) == 0) {
    end_op();return -1;}// 在符号链接的 data 中写入被链接的文件if(writei(ip, 0, (uint64)target, 0, MAXPATH) < MAXPATH) {
    iunlockput(ip);end_op();return -1;}// 提交事务iunlockput(ip);end_op();return 0;
}

第二步，增加标志位

按照实验手册，增加标志位：

kernel/stat.h中添加T_SIMLINK
kernel/fcntl.h中添加O_NOFOLLOW

第三步，修改 sys_open 函数

在打开文件时，如果遇到符号链接，直接打开对应的文件。这里为了避免符号链接彼此之间互相链接，导致死循环，设置了一个访问深度（我设成了 20），如果到达该访问次数，则说明打开文件失败。每次先读取对应的 inode，根据其中的文件名称找到对应的 inode，然后继续判断该 inode 是否为符号链接：

int depth = 0;
...// 不断判断该 inode 是否为符号链接while(ip->type == T_SYMLINK && !(omode & O_NOFOLLOW)) {
    // 如果访问深度过大，则退出if (depth++ >= 20) {
    iunlockput(ip);end_op();return -1;}// 读取对应的 inodeif(readi(ip, 0, (uint64)path, 0, MAXPATH) < MAXPATH) {
    iunlockput(ip);end_op();return -1;}iunlockput(ip);// 根据文件名称找到对应的 inodeif((ip = namei(path)) == 0) {
    end_op();return -1;}ilock(ip);}...

总结

做完感觉实验难度还行，，感觉比前几个难一些，主要是文件系统方面的知识储备不太够。这个实验对应的课程里没有讲太多有关实验内容的事，主要还是多看看其他文件系统函数是如何实现的（sys_open 函数帮助很大，还有 namei, readi, writei 等跟 inode 有关的函数）。

文章同步在知乎。

参考文章

MIT 6.s081 xv6-lab9-fs
MIT 6.S081 2020 LAB9记录
阮一峰理解inode