自己編寫UNIX檔案系統

近日有人求助，要寫一個UNIX檔案系統作為暑假作業。這種事情基本是學作業系統的必須要做的或者是做過的，畢竟檔案系統是作業系統課程的一個重要組成部分。要實現這個UNIX檔案系統，很多人就紮進了UNIX V6的的系統源碼，以及《萊昂氏UNIX原始碼分析》和《返璞歸真:UNIX技術內幕》這兩本書，很多人出來了，很多人在裡面迷失了...最終忘了自己只是要實現一個UNIX檔案系統而已。

為何會迷失，因為代碼不是自己寫的，而且年代久遠，編程理念不同了，作者為何那樣寫不一定就能理解，實際上對於任何別人寫的代碼，總是會有一些不易理解的地方，當然，如果作者水平超級高，那麼代碼也就相對容易理解。因此，寫代碼永遠比讀代碼要容易！既然是要寫一個檔案系統，為何要用現成的UNIX V6代碼呢？如果理解了UNIX檔案的布局和結構，自己從零開始不參考任何現有的代碼做一個也不是什麼難事，最根本的是UNIX檔案系統本身，至於說代碼，僅僅是一個實現與使用者操作的一個介面而已。如果代碼是自己一點一點寫的，那麼你肯定能徹底明白每一行的每一個語句的精確含義，至於為何這麼寫，你當然及其明了！

本文留下我倉促間幾個小時寫的一個類UNIX檔案系統的代碼，不是讓別人看的，是為了自己留檔，因為本文已經說了，看別人的代嗎只能學習經驗，不能理解本質，更何況，你看的還得是超級一流的代碼，而我寫的，則是超級垃圾的代碼。我只想說，理解問題的本質要比代碼重要得多，代碼，碼，並不是很多人想象中的那般重要！本文的實現基於Linux系統，即在Linux系統上編寫一個使用者態程式，實現UNIX檔案的IO介面以及操作。

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我一向堅持的原則，那就是任何東西的根本性的，本質上的原理以及背後的思想都是及其簡單的，所謂的複雜性都是最佳化與策略化的擴充帶來的，正如TCP一樣，UNIX的檔案系統也不例外！我們必須知道，什麼是最根本的，什麼是次要的。對於UNIX檔案系統，最根本的就是其布局以及其系統調用介面，一個處在最低層，一個在最上層開放給使用者，如下所示：

系統調用介面：open，write，read，close...

檔案系統布局：引導快，超級塊，inode區表，資料區塊區

所有的在二者中間的部分都是次要的，也就是說那些東西不要也行，比如高速緩衝，快取，VFS層，塊層...因此在我的實現代碼中，並沒有這些東西，我所做到的，僅僅是UNIX檔案系統所要求必須做到的最小集，那就是：

面對一個按照UNIX檔案系統標準布局的“塊裝置”，可以使用open，read，write等介面進行IO操作。

在實現中，我用一個標準的Linux大檔案來類比磁碟塊，這樣塊的操作基本都映射到了Linux標準的write，read等系統調用了。

首先定義必要的結構體：

//超級塊結構
struct filesys {
        unsigned int s_size;        //總大小                                         
        unsigned int s_itsize;        //inode表大小                                       
        unsigned int s_freeinodesize;    //空閑i節點的數量                         
        unsigned int s_nextfreeinode;    //下一個空閑i節點
        unsigned int s_freeinode[NUM];    //空閑i節點數組
        unsigned int s_freeblocksize;    //空閑塊的數量         
        unsigned int s_nextfreeblock;    //下一個空閑塊
        unsigned int s_freeblock[NUM];    //空閑塊數組
        unsigned int s_pad[];        //填充到512位元組 
};
//磁碟inode結構
struct finode {
        int fi_mode;            //類型：檔案/目錄
        int fi_uid_unused;        //uid，由於和進程無關聯，僅僅是類比一個FS，未使用，下同
        int fi_gid_unused;
        int fi_nlink;            //連結數，當連結數為0，意味著被刪除
        long int fi_size;        //檔案大小
        long int fi_addr[BNUM];        //檔案塊一級指標，並未實現多級指標
        time_t  fi_atime_unused;    //未實現
        time_t  fi_mtime_unused;
};
//記憶體inode結構
struct inode {
        struct finode  i_finode;
        struct inode    *i_parent;    //所屬的目錄i節點
        int    i_ino;            //i節點號
        int    i_users;        //引用計數
};
//目錄項結構(非Linux核心的目錄項)
struct direct
{
        char d_name[MAXLEN];        //檔案或者目錄的名字
        unsigned short d_ino;        //檔案或者目錄的i節點號
};
//目錄結構
struct dir
{
        struct direct direct[DIRNUM];    //包含的目錄項數組
        unsigned short size;        //包含的目錄項大小   
};
//抽象的檔案結構
struct file {
        struct inode *f_inode;        //檔案的i節點
        int f_curpos;            //檔案的當前讀寫指標
};

之所以叫做類UNIX檔案系統，是因為我並沒有去精確確認當時的UNIX檔案系統的超級塊以及inode表的結構，只是大致的模仿其布局，比如超級塊中欄位，以及欄位的順序可能和標準的UNIX檔案系統並不完全一致。但是不管怎麼說，當時的UNIX檔案系統基本就是這個一個樣子。另外，可以看到file結構體內容及其少，因為本質上，我只是想表示“一個inode節點相對於一個讀寫者來說，就是一個file”，僅此而已。接下來就是具體的實現了，我的方式是自下而上的，這樣做的好處在於便於今後的擴充。那麼首先要完成的就是i節點的分配和釋放了，我的實現中，是將檔案i節點映射到了記憶體i節點，這樣或許違背了我的初衷，我不是說過不要那麼多“額外”的東西來擾亂視聽嗎？是的，然而比起那些所謂的額外的最佳化，我更不喜歡頻繁的調用read和write。反正，只要自己能控制住局面即可。

在實現中，還有一個大事就是記憶體的分配與釋放，這些也不是本質的，記住，要實現的僅僅是一個UNIX檔案系統，其它的能繞開則繞開！顯然malloc，free等也是我們要繞開的，於是我基本都使用預分配空間的東西-全域數組。以下是全域變數：

//記憶體i節點數組，NUM為該檔案系統容納的檔案數
struct inode g_usedinode[NUM];
//ROOT的記憶體i節點
struct inode *g_root;
//已經開啟檔案的數組
struct file* g_opened[OPENNUM];
//超級塊
struct filesys *g_super;
//類比二級檔案系統的Linux大檔案的檔案描述符
int g_fake_disk = -1;

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