?寫在前面?
學(xué)習(xí)一個語言最好的方法是做一個小項目，這個項目不需要多么復(fù)雜，但是一定能激發(fā)你的學(xué)習(xí)興趣。讓我們話不多說，開始吧

本文將帶你手擼一個磁盤組織方式的模擬，你將學(xué)到

• ? c語言指針的使用
• ? linux的系統(tǒng)調(diào)用
• ? 磁盤的組織方式？
• ? 超級塊存儲哪些信息？
• ? inode存儲哪些內(nèi)容？
• ? 位示圖有啥用？

全文大約閱讀時間： 30min

??作者簡介：一個從工業(yè)設(shè)計改行學(xué)嵌入式的年輕人
?資源下載：gitee倉庫
?聯(lián)系方式：2201891280(QQ)

一、基本要求介紹

?目標

完成用戶態(tài)環(huán)境下的磁盤模擬功能，提供磁盤基本信息查詢與格式化功能。

?形式要求

基于C/C++，完成上述完整功能

?實現(xiàn)約束

利用一個大文件(128MB)來模擬磁盤塊設(shè)備，基于固定分片大小實現(xiàn)文件系統(tǒng)的超級塊區(qū)、inode節(jié)點區(qū)、數(shù)據(jù)分片區(qū)的管理，具備磁盤格式化、文件系統(tǒng)查詢（如：fdisk -l）功能，支持文件的inode節(jié)點和對應(yīng)數(shù)據(jù)分片的分配、回收。

注：此為樓主的一次linux作業(yè)，鑒于還沒到提交作業(yè)的截至日期，所以如果你 借鑒 此篇文章，請修改一定量以防大家都沒分數(shù)0.0

二、解決方法思路

拿到一道要求時，最重要的是學(xué)會找資源，找到一些思路，然后自己去做實現(xiàn)。
所以我平時很喜歡問思路的同學(xué)，但是知道思路還不知道代碼怎么寫呢，我就覺得這是態(tài)度問題了，希望大家還是只借鑒思路，千萬別直接復(fù)制粘貼，這對自己一點好處都沒有。

?參考文章

1. 文件系統(tǒng)簡單模擬
   這篇文章實現(xiàn)的功能非常復(fù)雜，所以我只是借鑒了主程序的寫法，主要是給自己做一個主程序的基礎(chǔ)架構(gòu)。

2. ext2文件系統(tǒng)詳解
   這篇文件非常詳細的介紹了ext2文件系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，這是已有的真實文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，我們可以對其進行適當?shù)木?，做出我們的想要的功能?/p>

?主體實現(xiàn)思路

• 模塊框架設(shè)計

• 分片大?。?KB 則一共有32K(128M/4K)個分片
• 保留區(qū)：三個分片，分別為超級塊，inode位示圖，數(shù)據(jù)區(qū)位示圖
• inode節(jié)點：128B，每個分片有32個inode節(jié)點，32K個分片需要1K個分片保存inode節(jié)點信息，分配inode節(jié)點區(qū)為4MB。

對應(yīng)的分配方式如下圖

• 主程序設(shè)計

做一個類似于終端的執(zhí)行方式，輸入相應(yīng)的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。
基本的效果如下

三、linux系統(tǒng)調(diào)用簡介

為了細化上面提到一些細節(jié)實現(xiàn)，我們需要了解linux的對文件的系統(tǒng)調(diào)用。這部分有點枯燥，畢竟都是系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，但是也不多，熟悉這部分的同學(xué)直接跳過啦0.0

?open & close

int open (const char *name, int flags, mode_t mode);int close(int fd);

上面對應(yīng)的就是打開和open和close系統(tǒng)函數(shù)定義

其中open有三個傳入?yún)?shù)

• 第一個就很好理解就是文件名稱
• 第二個是flags表示打開方式，這次用到的只有三個 O_CREAT、O_WRONLY、
  O_RDONLY分別表示如果不存在就創(chuàng)建，只讀和只寫。其中如果我想獲取讀寫權(quán)限可以用 O_WRONLY|O_RDONLY 來表示。
• 第三個參數(shù)我是再第二個參數(shù)有O_CREAT時候使用，是定義文件的權(quán)限的。因為是為了學(xué)習(xí)，我就簡單的定義的所有人可讀可寫可執(zhí)行S_IRWXO|S_IRWXG|S_IRWXU。
• 返回值是文件描述符，表示在文件打卡表項的位置(在內(nèi)存中，保存著打開文件的位置信息)，是系統(tǒng)為我們維護的方便使用的一個符號。如果返回-1表示打開失敗

相對來說close就簡單很多

• 只有一個傳入?yún)?shù) 就是open的返回值文件描述符，是一個大于等于0的整數(shù)可以看下圖
  

?write & read

size_t read(int fd, void *buf, size_t count);size_t write(int filedes,const char* buf,size_t nbytes);

這兩個函數(shù)很類似，只不過功能一個是讀一個是寫，我就放在一起講了。都有三個參數(shù)

• 第一個參數(shù)是一個文件打開表項，其實就是我們剛才說的open返回值。
• 第二個是一個指針，如果忽略他的類型可以理解為一片內(nèi)存空間，其中read就是往這片空間寫入數(shù)據(jù)，wirte就是將對應(yīng)的空間的數(shù)據(jù)寫入文件。
• 第三個數(shù)據(jù)是讀或者寫的數(shù)據(jù)大小，單位是字節(jié)。千萬別超過第二個參數(shù)中指針指向的數(shù)據(jù)大小，不然會寫入未知內(nèi)存，造成程序未知錯誤，建議直接就sizeof（第二個元素）

這兩個函數(shù)可以說對于c語言指針的使用極度舒適，直接操作內(nèi)存。
需要注意一個點就是每次讀寫系統(tǒng)會將我們的文件偏移量往后推移讀到元素個數(shù)

?lseek

#include #include off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

上面說到每次read和wirte都會推進文件偏移量。所以為了改變文件偏移量，我們就有了這個函數(shù)。

• 第一個參數(shù)還是文件打開表項，就是open返回那個
• 第二個參數(shù)就是偏移量。單位是字節(jié)，可前可后，所以就可以正也可以負值。
• 第三個參數(shù)是相哪里的位置 有三個可選項SEEK_SET、SEEK_CUR、SEEK_END，分別表示相對文件頭、相對當前位置以及相對文件末尾。我們只需要前兩個就好了。

上面就是所有需要的基本系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，接下來介紹一些燒腦的文件結(jié)構(gòu)。

四、磁盤組織方式簡介

圖片是一個常見的文件系統(tǒng)的圖片，我們需要實現(xiàn)的只有單分區(qū)就好了，不那么復(fù)雜。

這張圖就是一個最簡單的文件系統(tǒng)，但是作業(yè)要求我們有inode和數(shù)據(jù)塊的分配回收，所以我們得加上inode位示圖和數(shù)據(jù)塊的位示圖。

文件訪問的過程

當我們嘗試訪問一個文件/123/456.txt的時候基本過程是

從這個過程中我們知道

• 超級塊(一般是第一塊)
  主要保存文件系統(tǒng)的基本信息，數(shù)據(jù)分片的大小、inode節(jié)點大小和多少，根目錄的位置等
• inode節(jié)點
  **文件的基本信息，**文件大小、文件類型、數(shù)據(jù)塊索引
• 目錄項
  保存目錄信息 主要內(nèi)容是 文件名、inode節(jié)點號

五、主函數(shù)實現(xiàn)

主函數(shù)主要是為了打開文件系統(tǒng)以及給一定的提示信息。

提示信息的輸出

void help(){    printf("****************************************************/n");    printf("*歡迎來到xinglei 的文件系統(tǒng)！?。?                  /n");    printf("*主要的功能介紹                                     /n");    printf("*    0.創(chuàng)建系統(tǒng)  :create_filesystem                 /n");    printf("*    1.格式化    :init                              /n");    printf("*    2.低級格式化:low_init                          /n");        printf("*    3.查看信息  :info                              /n");       printf("*    4.創(chuàng)建文件  :mkfile                            /n");    printf("*    5.查看位示圖:weishitu                          /n");    printf("*    6.刪除文件  :delfile                           /n");    printf("*    8.幫助信息  :help                              /n");    printf("*    9.顯示文件  :ls                                /n");       printf("*    10.退出     :quit                              /n");     printf("****************************************************/n");}

主要就是打印一些提示信息，方便用戶使用這個系統(tǒng)。

類終端功能實現(xiàn)

char* command[] = {"create_filesystem","init","low_init","info","mkfile","weishitu","delfile","deldir","help","ls","quit"};int commandnum = sizeof(command)/sizeof(char *);char path[100] = "file_system";//文件系統(tǒng)while(1){        printf("%s$ ",path);        scanf("%s",com);        choice = i;        for(i=0; i<commandnum; ++i)                    if(strcmp(com,command[i])==0)                        break;        choice = i;        if(Disk == -1 && (!(choice == 0|| choice == 10))){//未創(chuàng)建文件只能退出或者創(chuàng)建文件            printf("文件系統(tǒng)未創(chuàng)建，請創(chuàng)建文件系統(tǒng)。");            continue;        }        int a;        read(Disk,&a,sizeof(int));        if(Disk != -1 &&a == 0 && !(choice == 1 || choice == 2)){            printf("未格式化，請格式化.");            lseek(Disk,-sizeof(int),SEEK_CUR);            continue;        }        lseek(Disk,-sizeof(int),SEEK_CUR);        switch(choice){            case 0://創(chuàng)建系統(tǒng)                create_filesystem();                break;            case 1://格式化                init(1);                break;            case 2://低級格式化                low_init();                break;            case 3://查看信息                info();                break;            case 4://創(chuàng)建文件                printf("輸入你要創(chuàng)建的文件名： ");                char filename[20];                scanf("%s",filename);                create_file(filename);                break;            case 5://查看位示圖                weishi();                break;            case 6://刪除文件                printf("請輸入你要刪除的文件:");                char delname[20];                scanf("%s",delname);                delfile(delname);                break;            case 8://幫助信息                help();                break;            case 9://顯示文件                ls();                break;            case 10:    //退出系統(tǒng)                quit = 1;                break;            default:                printf("%s command not found/n",com);        }

很顯然，我定義了一個while1，然后根據(jù)輸入命令的比較結(jié)果來選擇執(zhí)行哪個分支，默認就是重新回到開頭。在程序運行的時候我已經(jīng)做了打開文件的操作，因為我第超級塊的前4個字節(jié)的數(shù)據(jù)是固定的不為0，所以我可以用它來判斷是否已經(jīng)格式化，然后其它的就是跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能中就好了0.0

這只是基礎(chǔ)程序框架，我們其它功能使用另外一個文件來實現(xiàn)

六、文件功能定義

上面我們已經(jīng)實現(xiàn)了基礎(chǔ)的程序功能，這部分我們要深入細節(jié)，完成每一個小功能的實現(xiàn)。

主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

?超級塊
就是像剛才說的保存基礎(chǔ)信息

typedef struct{    int inodes_count,   blocks_count;               //超級塊和indoe總數(shù)    int free_inodes_count,  free_blocks_count;          //未使用block和inode量    short block_size,   inode_size;             //block和indoe大小 B    int first_data_block,   first_inode_block;          //第一塊數(shù)據(jù)塊第一塊inode節(jié)點位置    int inode_wei,      block_wei;              //位示圖所在塊號    short inodes_per_block;                     //每片中的inode數(shù)目    short frag_size;                        //每片大小    int root_inode;                         //根節(jié)點inode號    int size;                           //總大小B}chao;      //超級塊定義

?inode節(jié)點
這應(yīng)該是最簡陋的inode節(jié)點了把？

typedef struct{    int i_mode;     //文件類型,1表示文件，0文件表示目錄項    int i_size;     //文件的大小單位為B    int i_blocks;       //文件所占塊數(shù)     int i_block[15];    //索引節(jié)點 12個直接索引 1個一級索引 2個二級索引}inode;     //inode節(jié)點定義

?目錄項
目錄項不用特別復(fù)雜

typedef struct{    char name[28];    int inode;}mulu;      //目錄項定義

?位示圖
就簡單的一個位就好了。

unsigned int weishitu[1024];//位示圖定義

創(chuàng)建文件系統(tǒng)

這個功能就很簡單，就創(chuàng)建一個128MB的文件就好了。注意判斷是否已經(jīng)存在文件避免覆蓋。
我用了一個4K的數(shù)組循環(huán)32K次寫入來達到128MB0.0

void create_filesystem(){    if(Disk != -1){        printf("已經(jīng)存在文件系統(tǒng)/n");        return;    }    Disk = open(DISK,O_CREAT|O_WRONLY,S_IRWXO|S_IRWXG|S_IRWXU);    int a[1024] = {0};    for(int i = 0;i < 1<<15;i++) write(Disk,(void *)a,sizeof(a));//創(chuàng)建128MB文件    printf("創(chuàng)建文件系統(tǒng)成功/n");}

格式化

這部分就億點點復(fù)雜需要做的事情有一些多。
就是重寫超級塊、重寫位示圖、創(chuàng)建根節(jié)點信息。
代碼就不放了 因為太長了-.-
可以在倉庫中找到，我相信你們看得懂

低級格式化

其實我們平時也有用到低級格式化，其實就將所有數(shù)據(jù)置為0。然后再執(zhí)行高級格式化就好了。

void low_init(){    int temp;    read(Disk,&temp,sizeof(int));    if(temp){        printf("此操作會清空磁盤，且不可恢復(fù),確定？Y/N  ");        char s[10];        while(scanf("%s",s) != EOF && !(!strcmp(s,"Y") || !strcmp(s,"N")))            printf("請輸入正確的字符");        if(strcmp(s,"N") == 0){            printf("用戶取消/n");            return ;        }    }    close(Disk);    Disk = open(DISK,O_WRONLY);    int a[1024] = {0};    for(int i = 0;i < 1<<15;i++) write(Disk,a,sizeof(a));//全部位置置0    close(Disk);    Disk = open(DISK,O_RDONLY);    printf("低級格式化完成/n");    init(0);}

這里其實和創(chuàng)建文件很類似，但是要注意判斷是否已有系統(tǒng)給與對應(yīng)提示。

創(chuàng)建文件

這里已經(jīng)簡化了很多了，只做了創(chuàng)建文件，并不寫入數(shù)據(jù)，所以就是找空間分配空間，寫入就好了。
但是要實現(xiàn)找inode節(jié)點、找數(shù)據(jù)節(jié)點等多個方法，所以請看源碼。。

刪除文件

相比較而言刪除文件就簡單很多直接將inode和數(shù)據(jù)區(qū)進行回收就好了。
好了，由于很多細節(jié)放代碼過于復(fù)雜今天就寫到這里了。

七、寫在最后

這只是這次作業(yè)的的一部分，有點難懂，而且做成的也只能在電腦上跑跑看而已，第二部分是一個多線程詞頻統(tǒng)計工具，可以對某個文件目錄所有英文單詞的出現(xiàn)頻率進行統(tǒng)計打印，就有用很多。
如果點贊破百的話，我交作業(yè)前(11.30)肯定能更新出來0.0
海報我都做好了-.-