实验目的

1. 扩展Nachos的基本文件系统。Nachos的文件系统是一个简单并且能力有限的系统，限制之一就是文件的大小是不可扩展的。通过扩展，使得文件的大小是可变的。在扩展写入文件内容时，一边写入，一边动态调整文件的长度及所占用的数据扇区。

2. 增加Nachos文件的最后修改时间，并在执行./nachos -D命令时显示。Nachos文件头中存储文件最后修改时间，时间值是从UTC 1970年1月1日00:00:00来的秒数(精确到1秒)，占用原来numSectors的存储位置(从磁盘存储空间效率上考虑，文件头中已经有了文件长度字节数，无需再存储文件内容占用的扇区数)。

实验步骤与内容

Nachos文件管理系统

概述

1. 在磁盘的组织结构方面
Nachos中文件同样有其inode和一般存储磁盘块，即Nachos物理磁盘的扇区。但是它不像UNIX一样，将文件系统中所有文件的inode存放在一起，即inode区中。每个Nachos文件的inode占用一个单独的扇区，分散在物理磁盘的任何地方，同一般存储扇区用同样的方式进行申请和回收。它没有文件系统管理块，是通过位图（Bitmap）来管理整个磁盘上的空闲块。

2. 在文件系统空闲磁盘数据块和inode块管理方面
Nachos中有一个特殊的文件，即位图文件。该文件存放的是整个文件系统的扇区使用情况的位图。如果一个扇区为空闲，则它在位图文件相应的位为0，否则为1。Nachos中没有专门对inode扇区进行管理。
当需要申请一个扇区时，根据位图文件寻找一个空闲的扇区，并将其相应的位置为1。当释放一个扇区时，将位图中相应的位置为0。位图文件是一个临界资源，应该互斥访问。现有的文件系统没有实现互斥访问，所以每次只允许一个线程访问文件系统。位图文件的inode占据0号扇区。

3. 在文件系统的目录管理方面
一般的文件系统都采用树状目录结构，有的UNIX文件系统还有目录之间的勾连，形成图状文件系统结构。Nachos则比较简单，只有一级目录，也就是只有根目录，所有的文件都在根目录下。而且根目录中可以存放的文件数是有限的。Nachos文件系统的根目录同样也是通过文件方式存放的，它的inode占据了1号扇区。

4. 文件的索引结构上
Nachos同一般的UNIX一样，采用索引表进行物理地址和逻辑地址之间的转换，索引表存放在文件的inode中。但是目前Nachos采用的索引都是直接索引，所以Nachos的最大文件长度不能大于4K。

文件系统的实现

1. 同步磁盘分析
Nachos模拟的磁盘是异步设备，当发出访问磁盘的请求后立刻返回，直到从磁盘读出或写入数据结束后，发出磁盘中断，说明一次磁盘访问真正结束。
然而，Nachos是一个多线程的系统，在概述中提到过，有的文件系统没有实现互斥访问，所以为了避免系统混乱，必须对线程访问磁盘作出限制：
• 同时只能有一个线程访问磁盘
• 当发出磁盘访问请求后，必须等待访问的真正结束
与同步磁盘相关代码在文件synchdisk.cc和文件synchdisk.h中
SynchDisk类定义如下
通过信号量和锁机制实现同步磁盘，以读出磁盘数据为例，当线程向磁盘发出读请求后，首先通过调用lock->Acquire()来获取锁，这样可以保证在任意时间内，只有一个线程能够对磁盘进行I/O操作。接下来发起一个异步读取请求指定扇区的磁盘数据。在读取完成之前，线程调用semaphore->P()方法，使自己阻塞，等待中断信号的到来，这样确保读取过程完成后，该线程才继续执行。最后，当读取操作结束，信号量被释放时，线程释放之前获取的锁，允许其他线程继续进行磁盘I/O操作。

2. 文件系统模块分析 Nachos文件系统模块的主要类是FileSystem，该类负责管理文件的创建、删除、读取等操作。它通过使用位图来管理磁盘块的分配，通过根目录来管理文件的名称和相关信息。类中最重要的方法包括Create()、Open()和Remove()，这些方法在设计上类似于Unix操作系统的creat、open和unlink系统调用，但没有权限管理的机制。
FileSystem()构造函数
用于初始化文件系统。当format为true时，它会格式化磁盘，生成新的位图和空白的根目录；当format为false时，它会加载已有的文件系统（位图文件和目录文件）。
格式化磁盘时，先创建空白位图和根目录，位图用于记录磁盘中各扇区的使用情况；再为文件头分配扇区，包括位图和目录的文件头，将其写回磁盘，以便后续的文件操作。打开位图文件和目录文件，确保在Nachos运行期间保持这些文件打开状态，将空白位图写回磁盘
Create()方法
在文件系统创建一个指定大小的文件;首先在根目录中查找是否存在同名文件。如果存在，则返回false。否则开始创建文件，为新文件分配一个扇区来保存其文件头。如果申请不到扇区，则返回false；将新文件的信息添加到根目录中；根据文件的初始大小，分配相应数量的磁盘数据块。如果所有操作成功，将文件头、目录和位图的修改写回磁盘。 Open()方法
打开一个已有的文件，使其可以被读写
Remove()方法
用于删除文件，包括释放文件占用的所有资源，并更新根目录和位图。

3. 文件头模块分析
Nachos系统文件头相当于UNIX文件系统中的inode结构，它给出了一个文件除了文件名之外的所有属性，包括文件长度、地址索引表等等。
Nachos中的FileHeader模块实现了对文件数据块的管理，包括分配和释放数据块、从磁盘读取和写回文件头等功能。具体来说，FileHeader通过一个固定大小的表来存储指向磁盘扇区的指针，用于定位文件的数据块。由于FileHeader的大小受限于一个磁盘扇区，因此它能管理的最大文件大小也是有限的（约4KB），Nachos文件头的索引表只有直接索引。
Allocate()
为新创建的文件分配数据块，并初始化文件头。它根据文件的大小，计算需要的磁盘扇区数量，然后从空闲位图（BitMap）中分配这些数据块。 Deallocate()
取消分配为此文件的数据块分配的所有空间。依次检查索引表，首先检查某一项所对应扇区是否在位图中置1，freeMap->Clear((int)dataSectors[i])清除分配给该文件的扇区（位图中置0）
FetchFrom()
用于将存储在磁盘上的文件头读入内存，从而可以对其进行后续的操作，例如读取文件内容或写入新的数据。 WriteBack()
在文件头内容被修改后，用于将这些修改持久化到磁盘中，以保证文件系统状态的正确性。

扩展文件系统，实现动态调整文件长度

增加文件最后修改时间

测试

1. 格式化 Nachos 文件系统

1. 复制大小不同的文件

• smallNach 文件使用了两个扇区：5 （文件头）和 6。

• mediumNac 文件使用了三个扇区：7（文件头）、8 和 9（数据块）。

• bigNachos 文件使用了六个扇区：10（文件头）、11、12、13、14 和 15（数据块）。

1. 复制 huge 文件到 Nachos 文件系统

1. 将smallNachos文件追加到bigNachos

结论分析与体会