一种模拟文件系统的设计与分析

摘要：在深入研究了多个实用文件系统的功能和实现原理的基础上，用一个文件模拟硬盘，采用多级目录结构，对文件实行按名存取，利用超级块对系统资源进行管理，利用对i节点的操作来实现对文件的各种操作，从而实现了一个小型文件系统。

关键词：文件系统；索引节点；超级块

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：16727800（2012）008008103

作者简介：何俊（1982-），男，硕士，中国船舶重工集团公司第七一二研究所助理工程师，研究方向为计算机控制和电力电子技术；李松谭(1985-)，男，硕士，中国船舶重工集团公司第七一二研究所工程师，研究方向为计算机控制和单片机程序开发。

1系统设计的基本思想

如同一般的文件系统，这个模拟的文件系统也由一个超级块(super_block)来管理。超级块包含文件系统中的基本信息，如系统的容量，数据块的大小，文件名的最大长度，可用块表，可用i节点表，省去了一些不重要的数据成员，如超级块上锁标志等。超级块用来管理文件系统资源，而i节点则使用这些资源，每个文件或目录都对应一个i节点，但两者的i节点属性并不完全相同，鉴于此，系统并没有把文件和目录区别对待，在i节点的属性中有文件类型这一数据成员，对于类型为目录的文件，只需简单地将其数据块地址设为空。显然，这样简化了系统的设计。每个文件或目录都对应一个系统中独一无二的i节点编号。有了超级块和i节点，就可以在此基础上实现用户的操作命令，例如创建目录，只需超级块为之分配一个可用的i节点，并在当前工作目录的文件入口栏一项中添加这个i节点编号。文件系统的工作流程与流程描述如图1所示。

图1文件系统的工作流程

2文件系统的具体设计

2.1超级块的设计与实现

超级块的数据结构设计如下：

超级块（super_block)

class super_block{

public:

super_block();

～super_block();

const int get_fs_size() const;//返回文件系统大小，即“硬盘”大小

const int get_block_size() const;//返回块的大小

const int get_max_file_num() const;//返回最大文件数

const int get_max_fn_len() const;//返回文件名的最大长度

int get_free_block();//取一个未用块

int get_free_inode() ;//分配一个i节点

const bool get_modified() const;//超级块是否被修改，本系统未用

void change_modified();//设置修改标志

const bool get_lock() const;//超级块是否上锁，本系统未用

void change_lock();//改变上锁标志

void add_free_inode(int inode_num);//回收i节点

void add_free_block(int block_num);//回收块

int get_bt_size();//返回系统中可用块的数目

int get_it_size();//返回系统中未用i节点的数目

void print();//显示文件系统相关信息，供调试用

private:

const intFS_SIZE;//文件系统的容量，即“硬盘”大小

const intBLOCK_SIZE;//块（用于存放文件数据）大小

const intMAX_FILE_NUM;//最多可容纳的文件数

const intMAX_FN_LEN;//文件名的最大长度

vector＜int＞free_block_table;//存储可用的块编号

vector＜int＞free_inode_table;//存储可用的i节点号

boolis_modified;//文件系统修改标志

boolsuper_lock;//文件系统上锁标志}

超级块中包含了文件系统的基本信息，如文件系统的容量、块大小、最多可容纳的文件数等。磁盘空间的管理也是通过超级块来实现的，当新建一个文件或者目录时，超级块为新建的文件或目录分配一个新的i节点号，如果是正规文件，还要为其分配一定的数据块，而如果是目录则不用分配数据块。分配过后，从vector中删除已经分配的i节点号与数据块编号。删除文件或目录时则刚好与其相反，收回原有文件或目录的i节点号与数据块编号，这样就完成了简单的磁盘管理。

超级块作为系统资源的管理者，包含了文件系统的基本信息：如表1所示。

2.2i节点的设计与实现

本文件系统包含的文件分为两类，正规文件与目录文件。

表1超级块属性

为了对文件实现良好的操作，在设计时决定了为每个文件都分配一个独一无二的i节点项，这个i节点项中包含了两个大的方面即：i节点号与文件属性。

i节点项的数据结构设计如下：

i节点(inode)

class inode{

public:

inode();

inode(const inode& in);

～inode();

const int get_id() const;//获取i节点号

void set_id(int new_id);//设置i节点号

const string get_owner() const;//取文件属主