Status
Done

实验目的

  1. Nachos系统原有的文件系统只支持单级索引，最大能存取30 * 128 = 3840字节大小的文件。本实验将在理解原文件系统的组织结构基础上扩展原有的文件系统，在Lab4的基础上，设计并实现具有二级索引的文件系统。
  1. 为Nachos增加命令行选项-DI。执行./nachos -DI时显示Nachos磁盘的以下信息：Nachos磁盘的总体大小，已使用空间大小，空闲空间大小，普通文件数目，全部普通文件的总字节数，全部普通文件占用的空间大小(不包括文件头占用的，但加上普通文件数据扇区的内碎片)，总内碎片字节数(仅计普通文件数据扇区造成的)。
  1. 若要求为Nachos文件增加rwx权限(可读，可写，可执行)，请给出在Nachos中实现的具体方法(不要求实现可运行的代码。在实验报告中用文字描述即可，必要时可在文字中结合关键代码片段、数据结构、对象等说明)。
notion image
二级索引文件头i-node设计：
上图中，在扇区长度为128字节，int长度为4字节，均为Nahcos在X86平台上的默认值。构建具有二级索引的i-node，文件头原先的2-30项还是直接索引，最后的第31项指向二级索引块，这个二级索引块存放新的索引条目，有32项(数组下标为0~31)。
实现二级索引后的文件最大长度为：（29 + 32）* 128 = 7808字节。
二级索引块是动态产生的，当文件大小不需要它时，一级索引块的最后一项可设置为-1，此时不存在二级索引块。当文件大小增长到一级索引无法支持时，再分配一个新的块存二级索引，并将二级索引块的扇区号存入一级索引块的第31项。
参阅：
code/lab5/n5
code/lab5/n5readme.txt
code/lab5/n5screen.txt
注1：若Lab5全部完成，演示提交的代码为带有-DI命令行选项的。

实验步骤与内容

实现具有二级索引的文件系统

Nachos原有的文件头为文件扇区号预留了30个位置，为了扩展文件头可以表示的扇区号个数，可以将最后一个位置作为指向另一个扇区的指针，前29个扇区号存储在一级索引，另外32个扇区号存储在二级索引。
重新定义dataSectors后，需要重写新建、拓展、打印和获取扇区号的函数。为了方便修改代码，增强可读性，选择在filehdr.h中修改、添加了一些宏。umDirect2表示二级索引能保存的扇区数量32，NextPtrIndex是一级索引中指向二级索引扇区的索引号，便于查找二级索引、判断是否存在二级索引。
由于增加了二级索引，需要对Allocate函数进行修改；NumDirect - 1 + NumDirect2计算修改后的文件系统最多可以支持的扇区数，如果空闲扇区数目不足以分配给这个文件，那么直接返回FALSE，表示分配失败；如果numSectors小于或等于NextPtrIndex，说明文件所需扇区可以完全由直接索引来满足，于是使用freeMap->Find()在空闲bitmap中查找第一个可用的扇区，返回它的编号，并将其分配给该文件的直接索引，同时将dataSectors[NextPtrIndex] = -1表示这里没有使用二级索引。
如果numSectors > NextPtrIndex，说明需要二级索引来补充;
  • 直接索引部分通过freeMap->Find()来为所有NextPtrIndex个指针分配相应的扇区。
  • 然后为二级索引表本身分配一个扇区，这个扇区地址存储在dataSectors[NextPtrIndex]中，用于后续间接寻址。
  • 最后将二级索引写入硬盘
接下来需要修改Deallocate函数，如果文件没有二级索引，则执行的释放过程与之前相同；若文件存在二级索引，还需要将二级索引进行删除，首先读取二级索引表，删除二级索引扇区，然后删除二级索引列表中指向的扇区，需要删除的个数为numSectors – NextPtrIndex，删除扇区前同样需要先检查扇区是否被使用。
同时修改根据字节偏移计算对应扇区号的函数ByteToSector，使其符合二级索引的特点。如果扇区索引在二级索引的指针前，则返回对应一级索引号，否则读取二级索引表，获得对应扇区号。
而输出文件内容时，也需要考虑到二级索引的影响，于是对Print函数进行修改，当然，该函数在只有一级索引的情况下，与之前的处理方法并无二样；而在处理含二级索引的文件时，需要首先输出一级索引的扇区号，然后输出二级索引的扇区号；接下来输出File Content部分，一次输出一级索引和二级索引对应的文件内容，一级索引循环至二级索引指针NextPtrIndex，而二级索引的文件内容需要输出numSectors – NextPtrIndex个。
此处只展示新增的二级索引输出内容
实验四添加的文件扩展函数Extend也需要进行修改，由于现有扇区数随着二级索引的添加而增多，所以判断需要的扇区数是否超过了现有扇区数的内容需要进行修改；若扩展后仍是一级索引，则代码不需要变动；若需要扩展至二级索引大小，需要分情况讨论。
  • 当前文件不存在二级索引，先将一级索引表填充完毕，然后创建二级索引表，为剩余内容分配二级索引，具体行为与Allocate函数相似；
  • 当前文件存在二级索引，读取其二级索引表，在其基础上添加新的扇区即可

测试

  1. 将huge文件拷贝进nachos文件系统
      2. notion image
  1. 列出所有文件
      2. notion image
      可以看到huge文件已经拷贝成功，但是大小并没有超出一级索引的容量，接下来在源文件后继续插入一个huge文件;
  1. 列出所有文件
      2. notion image
      可以看到File Blocks中不仅输出了一级索引扇区号6~34，还输出了二级索引扇区号36~44，后方的文本也是连续的，说明Extend函数工作正常。

为Nachos增加命令行选项-DI

先对需要输出的数据内容进行分析，观察n5screen文件的输出格式
在filesys文件中添加PrintInfo函数，完成前三项数据的输出，先创建一个 BitMap 对象，用来管理磁盘扇区的空闲与使用情况；再创建一个 Directory 对象，便于后续对文件数据的获取，NumDirEntries 是目录可以容纳的最大文件条目数。freeMap和directory的文件在文件系统初始化后保存在成员变量中，利用FetchFrom即可载入两个文件。
磁盘大小可由NumSectors * SectorSize计算得来，其中NumSectors 是磁盘上的总扇区数。SectorSize 是每个扇区的大小（字节）
已使用空间大小可由BitMap进行统计，BitMap 中包含了所有扇区的使用信息，其中每个扇区是否被占用可以通过 Test(int index) 函数来查看。
空闲空间大小可以通过空闲位图freeMap来统计空闲扇区的数量。
调用Directory类的PrintInfo函数，输出文件数据，最后释放freeMap和directory俩对象的空间
Directory类中的PrintInfo函数分析如下，利用for循环遍历所有文件头的大小信息，tableSize 代表了目录表中可存储的文件或目录条目的数量。
若目录表中当前条目被使用了，说明该位置保存的是有效的文件或子目录信息。可以通过hdr->FetchFrom(table[i].sector) 从磁盘中获取该文件的文件头，并将文件数目加一；拿到了文件头，可以通过FileLength()函数获取文件的字节长度，表示该文件实际占用的数据大小，将其累加即可得到全部文件的总字节数；通过文件的字节长度可以计算出该文件占用的完整扇区数量，累加即可获得普通文件占用的完整扇区数，将其乘以扇区大小即可获得普通文件占用的空间大小；
通过文件字节数是否与扇区大小整除来判断该文件是否存在内碎片。总的内碎片大小为总占用扇区字节数减去总文件字节数。
由于题目要求新增命令行选项，需要在main.cc文件中加入条件分支

测试

  1. 运行命令，输出文件系统信息
      2. notion image
      可以看到，扇区位图和文件内容总共占据了45个扇区，没有内碎片
  1. 插入不足扇区大小倍数的文件
      2. notion image
      拷贝后，扇区增加了两块，内碎片多了90字节
  1. 继续拷贝文件进行测试
      2. notion image
  1. 测试删除文件
      2. notion image
      文件系统恢复原状

为Nachos文件增加rwx权限

在目前的Nachos文件系统中，没有用户分类的概念，也就没有同组用户和其它用户的概念。一个线程打开文件以后，就获得了对该文件操作所有的权利
大多数实用文件系统都提供对文件存取进行保护的功能，保护的一般方法是将用户分类、以及对不同类的用户规定不同的存取权。
同时因为现在我们的nachos仍然没有用户分类，所以在标记文件权限时，不用考虑用户带来的差异。
权限分为：读，写，可执行。
首先修改文件头结构，在FileHeader中，增加一个用于表示权限的字段，考虑到文件字节数最大为7808，没有超过short int的范围，可以在文件头中，将numBytes的类型改为short，然后添加一个short类型的权限信息modeBits。其中每个字符对应一位权限，1表示有权限，0表示无权限。
如7（111）表示可读可写可执行、6（110）表示可读可写不可执行、4（100）表示只可读。 在文件系统中执行读、写、执行操作之前，需要添加权限检查的逻辑。这可以通过增加对 modeBits 字段的检查来实现。
在openfile访问文件时，需要调用openfile中hdr，先去判断用户是否有对应操作权限，如果没有，raiseException抛出权限异常。
为了方便文件权限的修改，可以在文件头增加一个chmod函数。

结论分析和体会

本次实验对Nachos的文件索引存储结构进行了探索，开辟额外的扇区，实现了文件的二级索引存储，并能够在文件删除时完整删除申请的空间。在尝试输出文件系统信息的实验中，探索了内碎片的计算方式。经过本实验，我加深了对操作系统文件系统的理解。
 
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