《ORANGE’S：一个操作系统的实现》读书笔记（二十九）文件系统（四）
上一篇文章完善了硬盘驱动程序，并且完成了一个文件系统。这篇文章开始记录对文件的操作，首先记录如何创建一个文件。
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read_super_block()和get_super_block()
创建文件
我们现在已经有了一个文件系统存在于我们的虚拟磁盘上。但是这仅仅是个静态的系统，我们还无法对文件进行添加、删除、修改等操作，而且现在磁盘上还没有一个真正的“普通”文件。不过有了我们这个初级形态的文件系统，接下来只需要一步一步来做就好了。
Linux 下的文件操作
要进行修改和删除操作，首先要有文件才行，所以第一步我们先写代码来创建文件。不过我们同时要考虑文件系统的对外接口，因为文件系统并不“主动”对文件进行操作，它总是根据用户进程的请求而做相应的工作。我们不妨先看一下在Linux系统下用系统调用来进行文件操作的过程，代码如下所示。
代码 tmp/f.c，Linux下用系统调用读写文件。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
int main()
{
int fd;
int n;
const char filename[] = "blah";
const char bufw[] = "abcde";
const int rd_bytes = 3;
char bufr[rd_bytes];
assert(rd_bytes <= strlen(bufw));
/* create & write */
fd = open(filename, O_CREAT | O_RDWR | O_TRUNC, 0644);
if (fd == -1) {
printf("failed to open %s\n", filename);
return 1;
}
n = write(fd, bufw, strlen(bufw));
if (n != strlen(bufw)) {
printf("failed to write to %s\n", filename);
close(fd);
return 2;
}
close(fd);
/* open & read */
fd = open(filename, O_RDWR);
if (fd == -1) {
printf("failed to open %s\n", filename);
return 3;
}
n = read(fd, bufr, rd_bytes);
if (n != rd_bytes) {
printf("failed to read from %s\n", filename);
close(fd);
return 4;
}
bufr[n] = 0;
printf("%d bytes read: %s\n", n, bufr);
close(fd);
return 0;
}这是一段非常简单的对文件进行创建、读写以及关闭的代码，其中用到了open()、write()、read()、close()等几个系统调用。显然，如果我们的文件系统向用户进程提供服务的话，也要实现这些系统调用，所以我们最好模仿一下它们的行为。它的声明如下：
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
int close(int fd);接下来，我们要做的就是实现这些系统调用，只是在功能上，我们将做的简单一些。
文件描述符（file descriptor）
Linux系统文件操作都使用到了一个变量（或者返回值），那就是fd，即“file descriptor”，是它“代表”了一个文件，理所应当地充当了整个过程中最重要的角色。如果对它不是很了解的情况下，下图可以帮助建立一点初步的认识。
该图描述的是我们即将使用的文件操作方案。每个进程表中都将增加一个filp数组，其成员是指向file descriptor（下文简称fd）的指针。每一个使用中的fd都具有一个指针指向一个inode结构体，而由这个inode结构体可以找到具体的文件。
现在我们来修改进程表，在进程表中添加filp数组。
代码 include/proc.h，修改进程表。
typedef struct s_proc {
...
struct file_desc * filp[NR_FILES];
}PROCESS;我们的fd的定义代码如下所示。
代码 include/fs.h，file descriptor。
/**
* @struct file_desc
* @brief Pile Descriptor
*/
struct file_desc {
int fd_mode; /*< R or W */
int fd_pos; /*< Current position for R/W */
struct inode* fd_inode; /*< Ptr to the i-node */
};这是一个简单的结构体，fd_mode用来记录这个fd是用来做什么操作的，比如读、写，或是既读又写。fd_pos用来记录读写到了文件的什么位置。fd_inode便是指向inode的指针了。
每当一个进程打开一个文件——无论是打开一个已存在的还是创建一个新的，该进程的进程表的filp数组中就会分配一个位置——假设是k，用于存放打开文件的fd指针，而这个k就是返回给用户进程的open()函数的返回值了。这便是我们在代码中看到的变量fd的真正含义——它其实是一个数组下标，循着这个下标，系统可以找到用以描述文件的数据结构。
这里可能会有疑问，既然三部分要连接起来，我们为何不将它们合并起来呢？这个问题可以从两方面考虑。一方面f_desc_table[]和inode_table[]不能合并，我们不能把fd_mode和fd_pos等值塞入i-node，因为不同的进程可以打开同一个文件，而且打开之后可能进行不同的操作——比如读取其不同的位置，所以合并后两个表是行不通的。另一方面，我们也不能将f_desc_table[]直接放入进程表。
open()
现在我们可以着手编写open()了。我们先在用户进程中装模作样地创建一个文件：
代码 kernel/main.c，创建一个文件。
void TestA()
{
int fd = open("/blah", O_CREAT);
printf("fd: %d\n", fd);
close(fd);
spin("TestA");
}跟Linux中的open()系统调用不同，这里我们只用了两个参数，第三个参数我们省略了，访问权限等问题以后再考虑。
调用了open()，但我们压根儿还没有这个函数呢，现在就来创建一个，代码如下。
代码 lib/open.c，open()，这是新建的文件。
/**
* open/create a file.
*
* @param pathname The full path of the file to be opened/created.
* @param flags O_CREAT, O_RDWR, etc.
*
* @return File descriptor if successful, otherwise -1.
*/
PUBLIC int open(const char *pathname, int flags)
{
MESSAGE msg;
msg.type = OPEN;
msg.PATHNAME = (void*)pathname;
msg.FLAGS = flags;
msg.NAME_LEN = strlen(pathname);
send_recv(BOTH, TASK_FS, &msg);
assert(msg.type == SYSCALL_RET);
return msg.FD;
}我们发送了一个OPEN消息给文件系统，所以文件系统需要处理它：
代码 fs/main.c，文件系统处理OPEN消息。
/**
* <Ring 1> The main loop of TASK FS.
*/
PUBLIC void task_fs()
{
printl("Task FS begins.\n");
init_fs();
while (1) {
send_recv(RECEIVE, ANY, &fs_msg);
int src = fs_msg.source;
pcaller = &proc_table[src];
switch (fs_msg.type) {
case OPEN:
fs_msg.FD = do_open();
break;
case CLOSE:
fs_msg.RETVAL = do_close();
break;
default:
dump_msg("FS::unknown message:", &fs_msg);
assert(0);
break;
}
/* reply */
fs_msg.type = SYSCALL_RET;
send_recv(SEND, src, &fs_msg);
}
}这里我们用一个专门的函数do_open()来处理OPEN消息，代码如下：
代码 fs/open.c，do_open，这是新建的文件。
/**
* Open a file and return the file descriptor.
*
* @return File descriptor if successful, otherwise a negative error code.
*/
PUBLIC int do_open()
{
int fd = -1; /* return value */
char pathname[MAX_PATH];
/* get parameters from the message */
int flags = fs_msg.FLAGS; /* access mode */
int name_len = fs_msg.NAME_LEN; /* length of filename */
int src = fs_msg.source; /* caller proc nr. */
assert(name_len < MAX_PATH);
phys_copy((void*)va2la(TASK_FS, pathname),
(void*)va2la(src, fs_msg.PATHNAME),
name_len);
pathname[name_len] = 0;
/* fint a free slot in PROCESS::flip[] */
int i;
for (i = 0; i < NR_FILES; i++) {
if (pcaller->filp[i] == 0) {
fd = i;
break;
}
}
if ((fd < 0) || (fd >= NR_FILES)) {
panic("filp[] is full (PID:%d)", proc2pid(pcaller));
}
/* find a free slot in f_desc_table[] */
for (i = 0; i < NR_FILE_DESC; i++) {
if (f_desc_table[i].fd_inode == 0) {
break;
}
}
if (i >= NR_FILE_DESC) {
panic("f_desc_table[] is full (PID:%d)", proc2pid(pcaller));
}
int inode_nr = search_file(pathname);
struct inode * pin = 0;
if (flags & O_CREAT) {
if (inode_nr) {
printl("file exists.\n");
return -1;
} else {
pin = create_file(pathname, flags);
}
} else {
assert(flags & O_RDWR);
char filename[MAX_PATH];
struct inode * dir_inode;
if (strip_path(filename, pathname, &dir_inode) != 0) {
return -1;
}
pin = get_inode(dir_inode->i_dev, inode_nr);
}
if (pin) {
/* connects proc with file_descriptor */
pcaller->filp[fd] = &f_desc_table[i];
/* connects file_descriptor with inode */
f_desc_table[i].fd_inode = pin;
f_desc_table[i].fd_mode = flags;
f_desc_table[i].fd_pos = 0;
int imode = pin->i_mode & I_TYPE_MASK;
if (imode == I_CHAR_SPECIAL) {
MESSAGE driver_msg;
driver_msg.type = DEV_OPEN;
int dev = pin->i_start_sect;
driver_msg.DEVICE = MINOR(dev);
assert(MAJOR(dev) == 4);
assert(dd_map[MAJOR(dev)].driver_nr != INVALID_DRIVER);
send_recv(BOTH, dd_map[MAJOR(dev)].driver_nr, &driver_msg);
} else if (imode == I_DIRECTORY) {
assert(pin->i_num == ROOT_INODE);
} else {
assert(pin->i_mode == I_REGULAR);
}
} else {
return -1;
}
return fd;
}
/**
* Create a file and return it's inode ptr.
*
* @param[in] path The full path of the new file
* @param[in] flags Attributes of the new file
*
* @return Ptr to i-node of the new file if successful, otherwise 0.
*
* @see open()
* @see do_open()
*/
PRIVATE struct inode * create_file(char * path, int flags)
{
char filename[MAX_PATH];
struct inode * dir_inode;
if (strip_path(filename, path, &dir_inode) != 0) {
return 0;
}
int inode_nr = alloc_imap_bit(dir_inode->i_dev);
int free_sect_nr = alloc_smap_bit(dir_inode->i_dev, NR_DEFAULT_FILE_SECTS);
struct inode * newino = new_inode(dir_inode->i_dev, inode_nr, free_sect_nr);
new_dir_entry(dir_inode, newino->i_num, filename);
return newino;
}do_open()首先是从消息内读出各项参数，其中需要格外注意是文件名的读取。由于跨越了两个特权级，所以得到文件名需要付出额外的两份努力。一是需要事先记下文件名的长度，二是需要用phys_copy()来复制一份。
前面说过，open()要返回的是进程表filp[]内的一个索引，所以一开始我们就在filp[]内寻找一个空项，用来存放即将打开的文件fd。由于filp[]内只保存指针，所以我们还要从f_desc_table[]中找一个空项。这两项工作做完之后，我们调用search_file()来看看要打开的文件是否已经存在。其中的具体细节暂时略过，只需要知道这个函数将返回零，因为我们要创建的文件肯定不存在。
接下来是调用create_file()，这是真正来创建文件的函数了。一个文件在文件系统中涉及的要素有五个：
- 文件内容（数据）所占用扇区；
- i-node；
- i-node在inode-map中占用一位；
- 数据扇区在sector-map中占用的一位或多位；
- 文件在目录中占用的目录项（dir entry）。
相应地，我们创建一个文件，需要做以下几项工作：
- 为文件内容（数据）分配扇区；
- 在inode_array中分配一个i-node；
- 在inode-map中分配一位；
- 在sector-map中分配一位或多位；
- 在相应目录中写入一个目录项（dir entry）。
在create_file()中，这几项工作分别是由四个函数来完成的：
- alloc_imap_bit()?在inode-map中分配一位，这也意味着新文件的i-node有了确定的位置。
- alloc_smap_bit()?在sector-map中分配多位，这也意味着为文件内容分配了扇区。
- new_inode()?在inode_array中分配一个i-node，并写入内容。
- new_dir_entry()?在相应目录中写入一个目录项（dir entry）。
这四个函数的定义如下代码所示。
代码 fs/open.c，创建文件需要的函数。
/**
* Allocate a bit in inode-map.
*
* @param dev In which device the inode-map is located.
*
* @return I-node nr.
*/
PRIVATE int alloc_imap_bit(int dev)
{
int inode_nr = 0;
int i, j, k;
int imap_blk0_nr = 1 + 1; /* 1 boot sector & 1 super block */
struct super_block * sb = get_super_block(dev);
for (i = 0; i < sb->nr_imap_sects; i++) {
RD_SECT(dev, imap_blk0_nr + i);
for (j = 0; j < SECTOR_SIZE; j++) {
/* skip '11111111' bytes */
if (fsbuf[j] == 0xFF) {
continue;
}
/* skip '1' bits */
for (k = 0; ((fsbuf[j] >> k) & 1) != 0; k++) {}
/* i: sector index; j: byte index; k: bit index */
inode_nr = (i * SECTOR_SIZE + j) * 8 + k;
fsbuf[j] |= (1 << k);
/* write the bit to imap */
WR_SECT(dev, imap_blk0_nr + i);
break;
}
return inode_nr;
}
/* no free bit in imap */
panic("inode-map is probably full.\n");
return 0;
}
/**
* Allocate a bit in sector-map.
*
* @param dev In which device the sector-map is located.
* @param nr_sects_to_alloc How many sectors are allocated.
*
* @return The 1st sector nr allocated.
*/
PRIVATE int alloc_smap_bit(int dev, int nr_sects_to_alloc)
{
int i; /* sector index */
int j; /* byte index */
int k; /* bit index */
struct super_block * sb = get_super_block(dev);
int smap_blk0_nr = 1 + 1 + sb->nr_imap_sects;
int free_sect_nr = 0;
for (i = 0; i < sb->nr_smap_sects; i++) { /* smap_blk0_nr + 1: current sect nr. */
RD_SECT(dev, smap_blk0_nr + 1);
/* byte offset in current sect */
for (j = 0; j < SECTOR_SIZE && nr_sects_to_alloc > 0; j++) {
k = 0;
if (!free_sect_nr) {
/* loop until a free bit is found */
if (fsbuf[j] == 0xFF) {
continue;
}
for (; ((fsbuf[j] >> k) & 1) != 0; k++) {}
free_sect_nr = (i * SECTOR_SIZE + j) * 8 + k - 1 + sb->n_1st_sect;
}
for (; k < 8; k++) { /* repeat till enough bits are set */
assert(((fsbuf[j] >> k) & 1) == 0);
fsbuf[j] |= (1 << k);
if (--nr_sects_to_alloc == 0) {
break;
}
}
}
if (free_sect_nr) { /* free bit found, write the bits to smap */
WR_SECT(dev, smap_blk0_nr + i);
}
if (nr_sects_to_alloc == 0) {
break;
}
}
assert(nr_sects_to_alloc == 0);
return free_sect_nr;
}
/**
* Generate a new i-node and write it to disk.
*
* @param dev Home device of the i-node.
* @param inode_nr I-node nr.
* @param start_sect Start sector of the file pointed by the new i-node.
*
* @return Ptr of the new i-node.
*/
PRIVATE struct inode * new_inode(int dev, int inode_nr, int start_sect)
{
struct inode * new_inode = get_inode(dev, inode_nr);
new_inode->i_mode = I_REGULAR;
new_inode->i_size = 0;
new_inode->i_start_sect = start_sect;
new_inode->i_nr_sects = NR_DEFAULT_FILE_SECTS;
new_inode->i_dev = dev;
new_inode->i_cnt = 1;
new_inode->i_num = inode_nr;
/* write to the inode array */
sync_inode(new_inode);
return new_inode;
}
/**
* Write a new entry into the directory.
*
* @param dir_inode I-node of the directory.
* @param inode_nr I-node nr of the new file.
* @param filename Filename of the new file.
*/
PRIVATE void new_dir_entry(struct inode * dir_inode, int inode_nr, char * filename)
{
/* write the dir_entry */
int dir_blk0_nr = dir_inode->i_start_sect;
int nr_dir_blks = (dir_inode->i_size + SECTOR_SIZE) / SECTOR_SIZE;
int nr_dir_entries = dir_inode->i_size / DIR_ENTRY_SIZE; /* including unused slots (the file has been deleted but the slot is still there) */
int m = 0;
struct dir_entry * pde;
struct dir_entry * new_de = 0;
int i, j;
for (i = 0; i < nr_dir_blks; i++) {
RD_SECT(dir_inode->i_dev, dir_blk0_nr + i);
pde = (struct dir_entry *)fsbuf;
for (j = 0; j < SECTOR_SIZE / DIR_ENTRY_SIZE; j++, pde++) {
if (++m > nr_dir_entries) {
break;
}
if (pde->inode_nr == 0) { /* it's a free slot */
new_de = pde;
break;
}
}
if (m > nr_dir_entries || /* all entryies have been iterated or */
new_de) { /* free slot is found */
break;
}
}
if (!new_de) { /* reached the end of the dir */
new_de = pde;
dir_inode->i_size += DIR_ENTRY_SIZE;
}
new_de->inode_nr = inode_nr;
strcpy(new_de->name, filename);
/* write dir block -- ROOT dir block */
WR_SECT(dir_inode->i_dev, dir_blk0_nr + i);
/* update dir inode */
sync_inode(dir_inode);
}alloc_imap_bit()和alloc_smap_bit()都是对位图的操作。值得注意的是在sector-map中分配扇区时我们没有考虑“空洞太小”的情况，或者说，我们一旦找到一个未使用的扇区，就认为以它为开头存在连续的nr_sects_to_alloc个扇区。我们这样假设是有道理的，一方面，参数nr_sects_to_alloc应该始终为NR_DEFAULT_FILE_SECTS或者它的倍数，另一方面，只要我们每次都这样分配磁盘，那么理论上，除非在一块磁盘的结尾处，我们不会遇到一处小于NR_DEFAULT_FILE_SECTS的连续扇区。
new_inode()和new_dir_entry()相对简单一些，都是将相应的项赋值后马上写回磁盘，保持内存和磁盘的数据一致。
在do_open()中，调用create_file()之后文件其实就已经创建完毕了，之所以函数没有立刻结束，是因为创建完之后立即进行了“打开”操作，对照图9.12可知，之后是起到连接进程表、f_desc_table[]和inode_table[]的作用，三部分连接起来之后，文件就认为是被“打开”了。然后对文件属性进行判断，如果是字符设备特殊文件的话就交给相应的驱动程序，至于交给哪个驱动程序是由文件的设备号决定的，它实际上应该是TTY进程。我们现在还没有用过特殊文件，所以这段代码暂时不会执行。
到这里，创建文件的主要过程已经清楚了，最核心的函数其实就是由do_open()调用的create_file()。了解了这个主干，我们接下来看看其中涉及的一些细枝末节。
创建文件所涉及的其它函数
strip_path()
首先看看create_file()中用到的strip_path()，代码如下所示。
代码 fs/misc.c，strip_path()，这是新建的文件。
/**
* Get the basename from the fullpath
*
* In Orange'S FS v1.0, all files are stored in the root dirctory.
* There is no sub-folder thing.
*
* This routine should be called at the very beginning of file operations
* such as open(), read() and write(). It accepts the full path and returns
* two things: the basename and a ptr of the root dir's i-node.
*
* e.g. After strip_path(filename, "/blah", ppinode) finishes, we get:
* - filename: "blan"
* - *ppinode: root_inode
* - ret val: 0 (successful)
*
* Currently an acceptable pathname should begin with at most one '/' preceding a filename.
*
* Filenames may contain any character except '/' and '\\0'.
*
* @param[out] filename The String for the result.
* @param[in] pathname The full pathname.
* @param[out] ppinode The ptr of the dir's inode will be stored here.
*
* @return Zero if success, otherwise the pathname is not valid.
*/
PUBLIC int strip_path(char * filename, const char * pathname, struct inode** ppinode)
{
const char * s = pathname;
char * t = filename;
if (s == 0) {
return -1;
}
if (*s == '/') {
s++;
}
while (*s) { /* check each character */
if (*s == '/') {
return -1;
}
*t++ = *s++;
/* if filename is too long, just truncate it */
if (t - filename >= MAX_FILENAME_LEN) {
break;
}
}
*t = 0;
*ppinode = root_inode;
return 0;
}虽然函数名有点晦涩，但代码做的事情很简单：把路径分成文件名和文件夹两部分。比如strip_path(filename, path, &dir_inode)中path是文件的路径，是输入，filename和dir_inode都是输出。函数调用成功之后，filename里将包含“纯文件名”，即不含路径的文件名，dir_inode这个inode指针将指向文件所在文件夹的i-node。
一言蔽之，strip_path()的主要作用便是定位直接包含给定文件的文件夹，并得到给定文件夹在此文件夹中的名称。由于当前我们的文件系统是扁平的，所以这个函数返回之后dir_inode指向的将永远是根目录“/”的i-node。
search_file()
我们前面遇到这个函数时将它略过了，因为它其实是为下一步打开文件的操作而准备的，代码如下所示。
代码 fs/misc.c，search_file()。
/**
* Search the file and return the inode_nr.
*
* @param[in] path The full path of the file to search.
* @return Ptr to the i-node of the file if successful, otherwise zero.
*
* @see open()
* @see do_open()
*/
PUBLIC int search_file(char * path)
{
int i, j;
char filename[MAX_PATH];
memset(filename, 0, MAX_FILENAME_LEN);
struct inode * dir_inode;
if (strip_path(filename, path, &dir_inode) != 0) {
return 0;
}
if (filename[0] == 0) { /* path: "/" */
return dir_inode->i_num;
}
/* Search the dir for the file */
int dir_blk0_nr = dir_inode->i_start_sect;
int nr_dir_blks = (dir_inode->i_size + SECTOR_SIZE - 1) / SECTOR_SIZE;
int nr_dir_entries = dir_inode->i_size / DIR_ENTRY_SIZE; /* including unused slots(the file has been deleted but the slot is still there) */
int m = 0;
struct dir_entry * pde;
for (i = 0; i < nr_dir_blks; i++) {
RD_SECT(dir_inode->i_dev, dir_blk0_nr + i);
pde = (struct dir_entry *)fsbuf;
for (j = 0; j < SECTOR_SIZE / DIR_ENTRY_SIZE; j++, pde++) {
if (memcmp(filename, pde->name, MAX_FILENAME_LEN) == 0) {
return pde->inode_nr;
}
if (++m > nr_dir_entries) {
break;
}
}
if (m > nr_dir_entries) { /* all entries have been iterated */
break;
}
}
/* file not found */
return 0;
}我们还是通过strip_path()来得到文件所在目录的i-node，通过这个i-node来得到目录所在的扇区，然后读取这些扇区，查看里面是否有我们要找的文件，如果找到就返回文件的i-node，如果没找到就返回零。
这里使用了一个memcmp()比较相等的函数，它的具体定义如下所示。
代码 lib/misc.c，memcmp()。
/**
* Compare memory areas.
*
* @param s1 The 1st area.
* @param s2 The 2nd area.
* @param n The first n bytes will be compared.
*
* @return an integer less than, equal to, or greater than zero if the first
* n bytes of s1 is found, respectively, to be less than, to match,
* or be greater than the first n bytes of s2.
*/
PUBLIC int memcmp(const void * s1, const void *s2, int n)
{
if ((s1 == 0) || (s2 == 0)) { /* for robustness */
return (s1 - s2);
}
const char * p1 = (const char *)s1;
const char * p2 = (const char *)s2;
int i;
for (i = 0; i < n; i++,p1++,p2++) {
if (*p1 != *p2) {
return (*p1 - *p2);
}
}
return 0;
}get_inode()和sync_inode()
对于文件而言，i-node无疑是其灵魂，在对文件操作的过程中，从打开到关闭，我们始终需要面对i-node。在这里，我们用了一个缓冲区来存放系统中所有的i-node：inode_table[]。当我们需要用到一个i-node时，我们就在inode_table[]中找一个位置将它放进去，所用到的函数便是这个get_inode，代码如下所示。
代码 fs/main.c，get_inode()。
/**
* <Ring 1> Get the inode ptr of given inode nr. A cache -- inode_table[] -- is
* maintained to make things faster. If the inode requested is already there,
* just return it. Otherwise the inode will be read from the disk.
*
* @param dev Device nr.
* @param num I-node nr.
*
* @return The inode ptr requested.
*/
PUBLIC struct inode * get_inode(int dev, int num)
{
if (num == 0) {
return 0;
}
struct inode * p;
struct inode * q = 0;
for (p = &inode_table[0]; p < &inode_table[NR_INODE]; p++) {
if (p->i_cnt) { /* not a free slot */
if ((p->i_dev == dev) && (p->i_num == num)) {
/* this is the inode we want */
p->i_cnt++;
return p;
}
} else { /* a free slot */
if (!q) { /* q hasn't been assigned yet */
q = p; /* q <- the 1st free slot */
}
}
}
if (!q) {
panic("the inode table is full");
}
q->i_dev = dev;
q->i_num = num;
q->i_cnt = 1;
struct super_block * sb = get_super_block(dev);
int blk_nr = 1 + 1 + sb->nr_imap_sects + sb->nr_smap_sects + ((num - 1) / (SECTOR_SIZE / INODE_SIZE));
RD_SECT(dev, blk_nr);
struct inode * pinode = (struct inode*)((u8*)fsbuf + ((num - 1) % (SECTOR_SIZE / INODE_SIZE)) * INODE_SIZE);
q->i_mode = pinode->i_mode;
q->i_size = pinode->i_size;
q->i_start_sect = pinode->i_start_sect;
q->i_nr_sects = pinode->i_nr_sects;
return q;
}
/**
* Decrease the reference nr of a slot in inode_table[]. When the nr reaches
* zero, it means the inode is not used any more and can be overwritten by
* a new inode.
*
* @param pinode I-node ptr.
*/
PUBLIC void put_inode(struct inode * pinode)
{
assert(pinode->i_cnt > 0);
pinode->i_cnt--;
}
/**
* <Ring 1> Write the inode back to the disk. Commonly invoked as soon as the
* inode is changed.
*
* @param p I-node ptr
*/
PUBLIC void sync_inode(struct inode * p)
{
struct inode * pinode;
struct super_block * sb = get_super_block(p->i_dev);
int blk_nr = 1 + 1 + sb->nr_imap_sects + sb->nr_smap_sects + ((p->i_num - 1) / (SECTOR_SIZE / INODE_SIZE));
RD_SECT(p->i_dev, blk_nr);
pinode = (struct inode*)((u8*)fsbuf + (((p->i_num - 1) % (SECTOR_SIZE / INODE_SIZE)) * INODE_SIZE));
pinode->i_mode = p->i_mode;
pinode->i_size = p->i_size;
pinode->i_start_sect = p->i_start_sect;
pinode->i_nr_sects = p->i_nr_sects;
WR_SECT(p->i_dev, blk_nr);
}如果一个inode已经被读入inode_table[]这个缓冲区了，那么下一次在需要它时，我们不需要再进行一次磁盘I/O，直接从缓冲区中读出来就可以了。在这里我们使用了比较原始的策略来保持磁盘和缓冲区的一致性：一旦内存中的值发生改变，则立即写入磁盘——这一过程由sync-inode()来完成。
对于缓冲区的管理是这样的：如果一个inode的i_cnt项为零，那么此项被认为是未使用，于是可以分配给新读入的i-node。一旦一个i-node读入，那么i_cnt自加。当i-node用完之后，使用者应调用一个put_inode()，这样i_cnt自减。当i_cnt自减至零时，说明不再有人继续使用这个i-node，它就又变成一个空项了。
init_fs()
init_fs()并不是一个新函数，不过其中增加了一些内容，代码如下所示。
代码 fs/main.c，init_fs()。
/**
* <Ring 1> Do some preparation.
*/
PRIVATE void init_fs()
{
int i;
/* f_desc_table[] */
for (i = 0; i < NR_FILE_DESC; i++) {
memset(&f_desc_table[i], 0, sizeof(struct file_desc));
}
/* inode_table[] */
for (i = 0; i < NR_INODE; i++) {
memset(&inode_table[i], 0, sizeof(struct inode));
}
/* super_block[] */
struct super_block * sb = super_block;
for (; sb < &super_block[NR_SUPER_BLOCK]; sb++) {
sb->sb_dev = NO_DEV;
}
/* open the device: hard disk */
MESSAGE driver_msg;
driver_msg.type = DEV_OPEN;
driver_msg.DEVICE = MINOR(ROOT_DEV);
assert(dd_map[MAJOR(ROOT_DEV)].driver_nr != INVALID_DRIVER);
send_recv(BOTH, dd_map[MAJOR(ROOT_DEV)].driver_nr, &driver_msg);
/* make FS */
mkfs();
/* load super block of ROOT */
read_super_block(ROOT_DEV);
sb = get_super_block(ROOT_DEV);
assert(sb->magic == MAGIC_V1);
root_inode = get_inode(ROOT_DEV, ROOT_INODE);
}函数开头初始化了三个缓冲区：f_desc_table[]、inode_table[]和super_block[]。前两者我们已经做了说明，super_block[]使用方法类似，它用来存放超级块。每个分区都对应一个超级块，我们开始使用这个分区时（通常以“打开”设备为标志），会将其超级块读入内存，放入super_block[]这个缓冲区。之后我们可以由函数get_super_block()随时得到其指针。
中间部分是打开根设备和创建分区。对于一个扁平的文件系统，所有的文件都包含在根目录下面，所以根目录文件的i-node地位非常重要，这里我们用了一个全局变量root_inode来存放其指针。
使用到的全局变量和缓冲区定义在global.h中，具体如下所示：
EXTERN struct file_desc f_desc_table[NR_FILE_DESC];
EXTERN struct inode inode_table[NR_INODE];
EXTERN struct super_block super_block[NR_SUPER_BLOCK];
EXTERN MESSAGE fs_msg;
EXTERN PROCESS * pcaller;
EXTERN struct inode * root_inode;read_super_block()和get_super_block()
前面我们介绍了super_block[]，现在要看的这两个函数就是操作它的接口，代码如下所示。
代码 fs/main.c，超级块缓冲区。
/**
* <Ring 1> Read super block from the given device then write it into a free
* super_block[] slot.
*
* @param dev From which device the super block comes.
*/
PRIVATE void read_super_block(int dev)
{
int i;
MESSAGE driver_msg;
driver_msg.type = DEV_READ;
driver_msg.DEVICE = MINOR(dev);
driver_msg.POSITION = SECTOR_SIZE * 1;
driver_msg.BUF = fsbuf;
driver_msg.CNT = SECTOR_SIZE;
driver_msg.PROC_NR = TASK_FS;
assert(dd_map[MAJOR(dev)].driver_nr != INVALID_DRIVER);
send_recv(BOTH, dd_map[MAJOR(dev)].driver_nr, &driver_msg);
/* find a free slot in super_block[] */
for (i = 0; i < NR_SUPER_BLOCK; i++) {
if (super_block[i].sb_dev == NO_DEV) {
break;
}
}
if (i == NR_SUPER_BLOCK) {
panic("super block slots used up");
}
assert(i == 0); /* currently we use only the 1st slot */
struct super_block * psb = (struct super_block *)fsbuf;
super_block[i] = *psb;
super_block[i].sb_dev = dev;
}
/**
* <Ring 1> Get the super block from super_block[].
*
* @param dev Device nr.
*
* @return Super block ptr.
*/
PUBLIC struct super_block * get_super_block(int dev)
{
struct super_block * sb = super_block;
for (; sb < &super_block[NR_SUPER_BLOCK]; sb++) {
if (sb->sb_dev == dev) {
return sb;
}
}
panic("super block of device %d not found.\n", dev);
return 0;
}代码中，read_super_block()的作用是将一个设备的超级块读入缓存，get_super_block()可得到给定设备的超级块指针。在获取超级块时，我们采用了比较原始的遍历法来找到哪个是我们需要的。
关闭文件
跟创建文件比起来，关闭文件显得十分简单，由代码可知，CLOSE消息是由do_close()来处理的，它的函数体代码如下所示。
代码 fs/open.c，关闭文件。
/**
* Handle the message CLOSE.
*
* @return Zero if success.
*/
PUBLIC int do_close()
{
int fd = fs_msg.FD;
put_inode(pcaller->filp[fd]->fd_inode);
pcaller->filp[fd]->fd_inode = 0;
pcaller->filp[fd] = 0;
return 0;
}代码主要是三个语句：
- 调用put_inode()释放inode_table[]中的条目；
- 将filp[fd]->fd_inode清零释放f_desc_table[]中的条目；
- 将filp[fd]清零释放进程表中的fd条目。
经过这三个语句，之前为文件所分配的资源就全部释放了，文件也就可被认为是“关闭”了。
好了，现在我们就差最后一个close()函数了，现在来编写它，代码如下所示。
代码 lib/close.c，close()，这是新建的文件。
/**
* Close a file descriptor.
*
* @param fd File descriptor.
*
* @return Zero if successful, otherwise -1.
*/
PUBLIC int close(int fd)
{
MESSAGE msg;
msg.type = CLOSE;
msg.FD = fd;
send_recv(BOTH, TASK_FS, &msg);
return msg.RETVAL;
}查看已创建的文件
终于完成了open()和close()两个系统调用，我们现在可以make运行一下，看一下效果了，不要忘记，由于新增了几个C文件，Makefile需要进行相应的修改。运行结果如下图所示。
可以看到，进程TestA打印出了新创建的文件的fd：0。根据我们的代码，这个数字应该是正确的，不过文件到底有没有创建成功，我们还是要看看磁盘映像：
可以看到，inode-map变成了二进制的“11 1111”（十六进制3Fh），文件系统创建之初这里是1Fh，这里第5位（从0开始数）由0变成了1。也就是说新增加了一个i-node，其编号是5。
我们马上看一下inode_array，从1开始数，数到5是c01280处，对照inode结构体的声明可知：
- i_mode为8000h，这正是I_REGULAR的值。
- i_size为0，因为目前它还是个空文件。
- i_start_sect为909h。从超级块内容可知，sb.n_1st_sect为109h，由于第109h扇区占用sector-map中第1位（第0位保留），所以第909h扇区占用第801h位。
- i_nr_sects为800h（十进制2048），正是NR_DEFAULT_FILE_SECTS的值，结合i_start_sect可知，文件在sector-map中占用第801h到第1000h位。
在文件系统刚刚建立起来的时候，sector-map第0h位到第800h位被占，其中第0h位是保留位，第1h位到第800h位（共800h位）属于根目录文件，在这里我们新建的文件“/blah”又占用了第801h位到第1000h位，换算出来，从第0字节到第1FFh字节（共计200字节）都被占满，另外第200h字节被占用了1位。这跟我们得到的磁盘映像的信息是吻合的。
再来看一下根目录文件，很容易发现新增加的条目，其i-node号为5，这跟inode-map中是对应的，文件名是“blah”。所有信息都是正确的，这意味着我们的文件创建工作成功了。
这里可能会有一个问题，就是i-node号和inode-map中的位置是件容易迷糊的事情，我们不妨再来理顺一下：
对根目录而言，i-node号为1（ROOT_INODE定义为1），在inode-map中占用第1位（从0开始数），具体i-node数据位于inode_array[0]。于是，第M号i-node在inode-map中占用第M位（从0开始数），具体i-node数据位于inode_array[M-1]。
我们还可以知道，inode_array中的第M项（从0开始数）对应第M+1号i-node以及inode-map中的第M+1位（从0开始数）。
与此类似，根目录区的开始扇区即为第sb.n_1st_sect扇区，占用sector-map中的第1位（从0开始数）。于是，第M扇区（以本分区的开始扇区为0扇区）对应sector-map中的第（M-super_block.n_1st_sect+1）位。同时sector-map中的第M位对应第（M-1+super_block.n_1st_sect）扇区。
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