各位同学大家好
今天给大家介绍一下lab8
也是我们最后一个实验 文件系统
那这主要包含以下几部分
包括总体介绍
以及对ucore文件系统架构的一个描述
还有就是simple file system
一个具体文件系统的一个分析
以及virtual file system
就是虚拟文件系统的一个
展开的一个分析
还有涉及到就是
对I/O设备接口的描述
然后最后对整个执行流程做一个概述
通过这个描述呢
使得大家能够对
我们lab8要完成的实验
有更清楚的了解
这是这次实验的大致内容
首先我们看一下总体介绍这一部分
其实lab8呢 主要是说
怎么去有效把硬盘里面的数据
进行读或者写
那这个读写呢
如果说直接对硬盘数据进行访问
很明显 它是操作繁琐
不具有可移植性 也不简便
为此 我们操作系统提出了
一系列的抽象
来简化对上层应用
它的一个访问
这里面有哪些抽象呢
我们可以看看 有文件
文件就是 大家知道
我们可以把磁盘中的数据呢
以文件的形式来表示出来
从而可以方便地进行读写
那么如果文件比较多的情况下呢
我们可以组织成目录
所以每个目录项呢就是一个文件
还有呢就是什么呢 索引节点
那文件和目录呢
是给我们应用程序看到一个抽象
那对于我们底层的实现呢
我们需要考虑到索引节点
它是一个真实的
对硬盘上文件的一个具体描述
安装点呢 是需要把我们文件系统
放到一个地方
使得我们可以从这个地方作为起始点
来访问这个文件系统中所包含的文件
这是文件系统四个抽象
那有这个抽象之后还不够
我们需要有相应
针对这些抽象的一些操作
比如说针对文件有什么呢
打开 关闭文件 以及读 写文件
对应目录项也是一样的
目录项是目录的组成部分
这里面会涉及到打开目录
以及读取目录中的目录项
等一系列的操作
对索引节点而言
我们其实需要知道的是
一个具体的文件
它对应到磁盘中的哪些数据
这就是通过索引节点
来把磁盘中的数据
和应用程序能看到的那个文件呢
建立起一个对应关系
这是索引节点这一块
安装点呢也是一样的
它会涉及到 你要安装一个文件系统
以及要卸载一个文件系统
那就是有mount unmount这两个操作
那么这些操作呢
它组成了我们文件系统的
主要的实现部分
好 我们可以看看
这个呢可以理解为是
我们ucore文件系统的一个大致组成
可以看到确实它涉及的面比较多
从底层的存储的I/O设备
以及具体文件系统
比如说我们后面会讲到的
simple file system
还有呢虚拟文件系统
它可以抽象出文件系统的
一些共性的东西
形成针对不同类型的
文件系统的一个接口
可以更方便地给我们上层系统调用
提供一个进一步的文件访问接口
使得我们用户态程序
通过一个C库
可以很方便地对硬盘中的数据
进行读写操作
那可以看出来
这是文件系统一个大致一个概貌
有用户态和内核态两大部分
这也是为什么它叫文件系统
而不是叫文件子系统
因为我们知道在操作系统里面
有很多子系统
我们说有进程管理子系统
内存管理子系统
但只有文件这一块呢叫文件系统
这在某种程度上也体现出来
这个文件系统它本身的一个
比较复杂这么一个特征
好 既然我们也知道
一个文件系统的大致一个组成
我们可以看看在我们ucorelab中呢
我们其实在lab8中
已经按照我们这个初始流程
idle init
init之后呢会完成
对文件系统和磁盘外设的初始化
因为我们知道 我们需要把数据
要放在磁盘里面
我们需要对磁盘进行读写
所以说这两块 一个是device
一个是file system
这两块需要初始化
这是在我们之前的lab1到lab7中
没有涉及到的部分
有了这个初始化之后呢
我们就可以把我们在硬盘上建立好的
simple file system
这个文件系统里面一些程序呢
放到内存里面来
可以看到
然后呢它会变成进程
去进一步去在用户空间里面执行
这就是我们在lab8中
需要让大家能够理解和掌握的
关于文件系统的一些知识
好 那我们看看lab8的目标
第一个目标 你要知道
我们站在用户的角度
它怎么能够访问文件系统
及完成open close read write
这个怎么操作的
一个大致了解
第二个呢 我们需要去了解
simple file system
一个基于inode这种结构的
一种具体文件系统
它怎么来设计实现的
在硬盘上怎么组织
怎么把它读到内存中来
来完成相应的这些操作
同时我们还需要理解
一个文件系统的抽象
其实我们操作系统有各个层面的抽象
那么在文件系统里面
也有一层抽象叫Virtual file system
通过Virtual file system呢
它可以给我们应用程序
提供一个很简洁的一致接口
不管底下你是一个硬盘
你还是一个其它的设备
只要你以文件的形式存在
那我们都可以通过VFS
来进行有效的访问
及我们可以用它来干什么呢
open close read write OK很简单
好 我们还需要通过练习
来完成对文件系统更进一步的了解
这里面包含两部分
一部分是说要完成
读文件操作的一个实现
就是我们在从应用程序
发出这个读请求之后
一直到最后
从硬盘中把这个数据读进来
那么整个执行流程中呢
有一些环节我们留出来空
希望大家能够填写出来
你需要去理解整个执行过程
然后再把相应缺的地方给补上
第二个呢 是完成基于文件系统的
执行程序机制的实现
这和我们进程管理相关
我们进程管理在do_execve
这么一个操作里面呢
它会完成对一个elf格式的
文件解析和加载 以及运行
我们可以回忆一下
在lab5里面我们会完成相应的事情
那么当时那个实现
是在内存中完成的
我们需要把这个文件
从硬盘中读出来
那就需要对我们当时文件加载过程
重新进行扩展
使得它能够从硬盘
把这个数据和代码读进来
并产生进程的一个主体内容
好 我们再回顾一下lab5的工作
在lab5中 我们当时是进程创建和执行
当时呢 在一开始
我们bootloader就把整个kernel img
包含了我们的应用程序
一股脑地加载到我们内存中来
然后呢后续的ucore呢
它是在内存中完成了
对elf格式的文件的读取和加载
它跟我们的硬盘没有关系
那这个呢比较简单
但是我们现在
假定我们lab8有了文件系统之后呢
其实这一步就可以从
我们的硬盘直接读到内存中来
而不需要一开始
通过bootloader读取的方式
那么可以更加灵活地来完成
对文件的加载和执行的过程
lab8文件系统呢
它在整个这个实现中呢
包含了很多的数据结构和函数调用
而且它和我们进程 内存
都有很多关系
所以相对来说 它的数据结构
和函数调用关系比较复杂
其实涉及到好像感觉比较简单
比如说 实际上就是完成
硬盘和内存数据一个交换
它需要从硬盘中读数据
或者把内存中的数据写回到硬盘中来
这就是两个它主要干的事情
但是怎么能够
很方便地给我们应用程序提供一个接口
来完成这个工作呢
这就需要我们文件系统
整体地来做一个设计和考虑
为了能够更好理解和分析
uCorelab8这里面的文件系统呢
我们可以采取以下一些方法
比如说 自下而上
从硬盘往内存这么一个角度来分析
也可以自上而下 站在用户的角度
它发出一个请求 这个请求怎么完成的
最终把这个数据写到硬盘上
或者是 把数据从硬盘读到内存中来
这是自上而下
还有呢我们要理一下关系
这里面很多数据结构的关系
实际上体现在数据结构的包含关系
谁包含了谁
以及在你访问这个控制流的时候呢
你要知道谁访问了谁
采取这种方式呢
我们可以比较容易地把握
文件系统整体的一个概貌
其实我们希望大家能够在头脑中
浮现出文件系统
在内核中的一个执行过程
以及它相应数据结构一幅图形
而这个图形之后呢
你去掌握和理解文件系统
就更加容易一些
为此我们也采取一种方法
来进一步地分析这个
ucore里面文件系统的架构
以及用户怎么访问文件的
还有就是内核中跟文件相关的数据结构
它们之间的关系是什么
好 我们可以举个简单例子
我们站在一个比较高的角度
来看一下文件系统到底怎么回事
首先 我们在一个硬盘上
当然这个硬盘是一个虚拟的硬盘
我们用qemu生成了一个文件
这个文件就是模拟硬盘的
整体的一个结构
在这个结构里面呢
会有一个具体文件系统 SFS
那这个文件系统在后面会展开说
然后有了这个文件系统之后呢
我们就要实现一系列的层次
来完成对这个文件系统的一个操作
比如说它I/O层次
它能够去通过I/O接口
来访问这个device 访问这个硬盘
通过Simple FS呢来读取这个硬盘中
保存的这个文件系统的结构
通过VFS呢 给我们上层应用
提供一层一致的接口
那么自然它有一个
file system相关一个system call
这是第二层
然后有了这个接口之后呢
应用程序就可以去
通过这个文件系统相关的接口
来从上到下去地执行
从而完成对这个存储在硬盘中的文件
或者目录的数据一个访问