---- 整理自狄泰软件唐佐林老师课程

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文章目录

1. 问题
- 1.1 硬盘上最最最简单的文件系统支持方式
- 1.2 改进思路
- 1.3 更多细节问题
- 1.4 文件系统概要设计
- 1.5 硬盘数据逻辑示意图
- 1.6 硬盘数据物理组织示意
2. 问题
- 2.1 硬盘基础概念
- 2.2 课程中的解决方案
- 2.3 数据结构设计
- 2.4 格式化的关键
- 2.5 编程实验：文件系统的初步实现
3. 问题
- 3.1 根目录的本质
- 3.2 根目录逻辑结构
- 3.3 文件实现的基础：扇区管理
- 3.4 扇区申请
- 3.5 一些注意事项
- 3.6 访问数据扇区对应的分配表项
- 3.7 核心数据结构及数量关系
- 3.8 需要实现的部分扇区管理函数
- 3.9 编程实验：扇区管理函数的实现
4. 问题
- 4.1 根目录本质回顾
- 4.2 根目录中创建文件的流程
- - 4.2.1 在根目录中创建文件
  - 4.2.2 CheckStorage() - 写入数据前的检查
  - 4.2.3 在根目录中写入新文件信息
  - 4.2.4 编程实验：在根目录中创建文件
  - 4.2.5 思考
- 4.3 根目录中查找文件的流程
- - 4.3.1 文件查找的本质
  - 4.3.2 FindFileEntry() - 文件查找的核心
  - 4.3.3 在扇区中查找FileEntry
  - 4.3.4 编程实验：在根目录中查找文件
  - 4.3.5 思考
- 4.4 在根目录中删除文件
- - 4.4.1 实现思路
  - 4.4.2 根目录中删除文件的流程
  - 4.4.3 关键细节
  - 4.4.4 数据链表中的字节删除
  - 4.4.5 数据链表容量调整
  - 4.4.6 编程实验：在根目录中删除文件
  - 4.4.7 思考
- 4.5 重命名根目录中的文件
- - 4.5.1 解决方案
  - 4.5.2 根目录中重命名文件的流程
  - 4.5.3 文件重命名
  - 4.5.4 FileEntry写回硬盘
  - 4.5.5 编程实验：在根目录中重命名文件
  - 4.5.6 思考
- 4.6 读写已经存在的文件
- - 4.6.1 文件读写的常规流程
  - 4.6.2 需要深入思考的问题
  - 4.6.3 文件描述符数据结构设计
  - 4.6.4 文件打开与关闭函数的实现
  - 4.6.5 写文件时需要考虑的问题
  - 4.6.6 文件数据写入函数
  - 4.6.7 编程实验：文件数据写入
  - 4.6.8 思考
- 4.7 从文件中读取数据
- - 4.7.1 读文件时需要考虑的问题
  - 4.7.2 文件数据读取函数
  - 4.7.3 编程实验：文件数据读取
  - 4.7.4 文件系统中的辅助函数
  - 4.7.5 数据擦除函数的定义与实现
  - 4.7.6 文件读写指针移动函数
  - 4.7.7 FSeek & FTell
  - 4.7.8 编程实验：辅助函数的实现
  - 4.7.9 扩展思考
5. 系列完结

1. 问题

能够读写硬盘扇区是否就可以创建文件？
对硬盘而言只有扇区的概念，没有文件的概念，文件是操作系统中的概念。
文件是有逻辑关联的数据集合，并且数据之间有存储上的先后关系。
那么，硬盘和文件是如何联系在一起的呢？

1.1 硬盘上最最最简单的文件系统支持方式

一个扇区就是一个文件，则：
- 文件名就是逻辑扇区号（LBA）
- 扇区第0字节存储文件长度
- 文件大小最多511字节

在这里插入图片描述

缺陷：
- 文件数量太多：用不上那么多文件
- 文件名不友好：使用不方便
- 文件容量太小：完全不够用
启示
- 文件中有一个逻辑上的“指针”，用于标识读写位置
- 文件背后有一个“缓冲区”，方便指定位置数据读写

1.2 改进思路

支持自定义文件名（仅限制文件名字符数量）
使用硬盘固定位置将 文件名 和 扇区号 做映射
将多个扇区组织在一起，共同存储属于同一文件的数据

在这里插入图片描述
如：DELPHI.TXT文件名和第35号扇区做映射

1.3 更多细节问题

如何区分硬盘上的哪些扇区空闲，哪些扇区被文件使用？
硬盘上的哪个位置记录文件名和扇区的映射关系？
文件内容超过512字节时，如何增加扇区并维护前后关系？

1.4 文件系统概要设计

在这里插入图片描述

1.5 硬盘数据逻辑示意图

在这里插入图片描述

1.6 硬盘数据物理组织示意

在这里插入图片描述

2. 问题

当目标文件需要保存的数据大于512字节时，如何获取更多的存储空间？
- 选择一个（多个）空闲扇区分配给目标文件使用即可。
如何高效的查询以及获取空闲扇区？
- 将扇区分配表组织成不同的链表
- 扇区分配表中的 每个链表 代表 一个文件
- 未使用的扇区也组织成一个链表（即：空闲链表，每次从头部取扇区，O(1)）
- 文件管理的过程可看作扇区在不同链表中移动的过程

2.1 硬盘基础概念

硬盘分区
- 对硬盘进行分割，分割成不同的硬盘区域
格式化
- 格式化是指对硬盘分区进行的一种初始化操作（设置扇区分配表的初始状态，比如说：在扇区分配表中将所有的扇区标记为空闲扇区）
- 格式化会使得硬盘分区中的所有文件被清除

2.2 课程中的解决方案

将整个硬盘当作唯一分区使用
对硬盘分区进行格式化
- 建立 引导区，根目录区 和 扇区分配表
根目录的本质就是一个文件
- 目录（文件夹） 的本质就是文件

2.3 数据结构设计

在这里插入图片描述

2.4 格式化的关键

计算扇区分配表的大小（map size）：

在这里插入图片描述

构建空闲扇区链表：
- 将扇区分配表中的所有成员全部组织到空闲链表中

在这里插入图片描述

2.5 编程实验：文件系统的初步实现

【参看链接】：81-82-83-84-85-86 - 文件系统设计与实现 / 81

qt上结果如下：

在这里插入图片描述

将qt下格式化的“hd.img”放入到D.T.OS路径下，结果如下：

在这里插入图片描述

3. 问题

3.1 根目录的本质

根目录 在文件系统中是一个特殊的文件
根目录中存储了文件的基本信息（FileEntry）
- FileEntry包含了文件名，文件起始扇区，文件大小等信息

在这里插入图片描述

3.2 根目录逻辑结构

在这里插入图片描述

3.3 文件实现的基础：扇区管理

如何获取 / 归还空闲扇区？
如何查找当前扇区的后续扇区？
如何为当前文件增加 / 删除一个扇区？
……

3.4 扇区申请

在这里插入图片描述

3.5 一些注意事项

扇区操作是一种外存操作，因此需要仔细计算目标位置
扇区管理时 使用 相对扇区地址，扇区读写时 使用 绝对地址

●关系如下：
在这里插入图片描述

3.6 访问数据扇区对应的分配表项

分配表项就是管理单元
- 计算相对扇区地址：offset = si - mapSize - 2
  （注释：即扇区分配表中的第几个扇区）
- 计算目标扇区：sctOff = offset / MAP_ITEM_CNT
  （注释：一个扇区包含MAP_ITEM_CNT个分配单元，这里的除法算完后即可得到目标在扇区分配表中是第几个扇区）
- 计算目标扇区内偏移：idxOff = offset % MAP_ITEM_CNT
  （注释：得到扇区分配表中的第几个扇区之后，计算出在该扇区内的偏移，即在该扇区中偏移了几个分配单元）

在这里插入图片描述

3.7 核心数据结构及数量关系

在这里插入图片描述

3.8 需要实现的部分扇区管理函数

在这里插入图片描述

3.9 编程实验：扇区管理函数的实现

获取 / 归还空闲扇区

【参看链接】：81-82-83-84-85-86 - 文件系统设计与实现 / 82 / 00获取归还空闲扇区

在这里插入图片描述

NextSector测试

【参看链接】：81-82-83-84-85-86 - 文件系统设计与实现 / 82 / 01testNextSector

在这里插入图片描述

所有扇区管理函数

【参看链接】：81-82-83-84-85-86 - 文件系统设计与实现 / 82 / 02

4. 问题

如何在根目录区中创建文件？
申请扇区，写入文件信息数据（FileEntry）
扇区申请成功后，还需要做哪些工作？

4.1 根目录本质回顾

根目录（文件）中存储的是FileEntry类型的值，每个FileEntry值表示一个硬盘上的文件。

在这里插入图片描述

4.2 根目录中创建文件的流程

在这里插入图片描述

4.2.1 在根目录中创建文件

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4.2.2 CheckStorage() - 写入数据前的检查

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4.2.3 在根目录中写入新文件信息

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4.2.4 编程实验：在根目录中创建文件

【参看链接】：81-82-83-84-85-86 - 文件系统设计与实现 / 83 / 00在根目录中创建文件

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4.2.5 思考

如何判断在根目录中是否存在指定文件？
直接查找根目录的数据链表，如果文件存在，那么必然能够查找到对应的FileEntry。

4.3 根目录中查找文件的流程

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4.3.1 文件查找的本质

在数据链表中查找FileEntry值

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4.3.2 FindFileEntry() - 文件查找的核心

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4.3.3 在扇区中查找FileEntry

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4.3.4 编程实验：在根目录中查找文件

【参看链接】：81-82-83-84-85-86 - 文件系统设计与实现 / 83 / 01在根目录中查找文件

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4.3.5 思考

4.4 在根目录中删除文件

4.4.1 实现思路

根据文件名在根目录的数据链表中查找FileEntry值
当查找成功时：从数据链表中删除FileEntry值

关键问题：
FileEntry值的实际位置是在硬盘上，那么如何从硬盘上抹除这个值呢？
解决方案：
1. 判断目标文件是否打开（只有关闭状态能被删除）
2. 根据名字查找目标FileEntry的位置（如：FileEntry 2）
3. 将数据链表中最后一个FileEntry值复制到FileEntry的位置
4. lastBytes = lastBytes - sizeof(FileEntry)

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