Lab5实验报告

一、思考题

Thinking 5.1

如果通过 kseg0 读写设备，那么对于设备的写入会缓存到 Cache 中。这是一种错误的行为，在实际编写代码的时候这么做会引发不可预知的问题。请思考：这么做这会引发什么问题？对于不同种类的设备（如我们提到的串口设备和IDE磁盘）的操作会有差异吗？可以从缓存的性质和缓存更新的策略来考虑。

答：如果设备的数据缓存到Cache之后发生了更改或是触发了中断，Cache里的数据可能来不及进行修改，导致从Cache中获取的数据可能是过时的，发生错误。
对于串口设备来说，其发生的读写操作更为频繁，信号量也众多，因此发生错误的概率会更高。

Thinking 5.2

查找代码中的相关定义，试回答一个磁盘块中最多能存储多少个文件控制块？一个目录下最多能有多少个文件？我们的文件系统支持的单个文件最大为多大？

答：如图：

可知一个文件控制块的大小是256字节，而一个磁盘块为4KB，所以一个磁盘块最多能存储16个文件控制块。
一个目录最多有1024个目录项，每个目录项对应一个磁盘块，所以一个目录下最多能有16384个文件。

由该图可以知道，文件系统支持的单个文件最大为1024*4KB=4MB。

Thinking 5.3

请思考，在满足磁盘块缓存的设计的前提下，我们实验使用的内核支持的最大磁盘大小是多少？

DISKMAX=0x40000000，所以在满足磁盘块缓存设计的前提下，内核支持的最大磁盘大小为1GB。

Thinking 5.4

在本实验中，fs/serv.h、user/include/fs.h 等文件中出现了许多宏定义，试列举你认为较为重要的宏定义，同时进行解释，并描述其主要应用之处

#define NDIRECT 10
#define NINDIRECT (BLOCK_SIZE / 4)
#define MAXFILESIZE (NINDIRECT * BLOCK_SIZE)
#define FILE2BLK (BLOCK_SIZE / sizeof(struct File))
#define SECT2BLK (BLOCK_SIZE / SECT_SIZE)
#define DISKMAP 0x10000000
#define DISKMAX 0x40000000

我认为比较重要的宏有以上：

NDIRECT：文件控制块中文件的直接指针个数
NINDIRECT：文件控制块中文件的间接指针个数
MAXFILESIZE：文件最大大小
FILE2BLK：将文件转化为磁盘块
SECT2BLK：将扇区转化为磁盘块
DISKMAP：块缓存起始地址
DISKMAX：最大块缓存大小

Thinking 5.5

在Lab4“系统调用与fork”的实验中我们实现了极为重要的fork函数。那么fork前后的父子进程是否会共享文件描述符和定位指针呢？请在完成上述练习的基础上编写一个程序进行验证。

我编写了下面一个简易程序：

#include <lib.h>

static char *msg = "This is the NEW message of the day!\n";
static char *diff_msg = "This is a different message of the day!\n";

int main() {
        int r;
        int fdnum;
        char buf[512];
        int n;
        int id;
        if ((id = fork()) == 0) {
                if ((r = open("/newmotd", O_RDWR)) < 0) {
                        user_panic("child cannot open /newmotd: %d", r);
                }
                fdnum = r;
                debugf("child_open is good and the fdnum is %d\n",fdnum);
        } else {
                if ((r = open("/newmotd", O_RDWR)) < 0) {
                        user_panic("parent cannot open /newmotd: %d", r);
                }
                fdnum = r;
                debugf("parent_open is good and the fdnum is %d\n",fdnum);
        }
}

输出如下：

1 2	parent_open is good and the fdnum is 0 child_open is good and the fdnum is 0

所以父子进程是会共享文件描述符和定位指针的。

Thinking 5.6

请解释 File, Fd, Filefd 结构体及其各个域的作用。比如各个结构体会在哪些过程中被使用，是否对应磁盘上的物理实体还是单纯的内存数据等。说明形式自定，要求简洁明了，可大致勾勒出文件系统数据结构与物理实体的对应关系与设计框架。

struct File {
	char f_name[MAXNAMELEN];//文件名
	uint32_t f_size; //文件大小
	uint32_t f_type; //文件类型
	uint32_t f_direct[NDIRECT];//文件直接指针
	uint32_t f_indirect;//间接磁盘块

	struct File *f_dir;//文件所属目录
	char f_pad[FILE_STRUCT_SIZE-MAXNAMELEN-(3 + NDIRECT)* 4-sizeof(void *)];//填充空余空间
}__attribute__((aligned(4),packed));

struct Fd{
	u_int fd_dev_id;//设备id
	u_int fd_offset;//读写偏移量
	u_int fd_omode;//打开方式
};

struct Filefd{
	struct Fd f_fd;//文件描述符，同上
	u_int f_fileid;//文件id
	struct File f_file;//文件控制块
};

Thinking 5.7

图 5.9 中有多种不同形式的箭头，请解释这些不同箭头的差别，并思考我们的操作系统是如何实现对应类型的进程间通信的。

根据UML时序图相关知识可知，图中有同步和异步两种箭头。
ENV_CREATE()是异步操作，init()发出消息后继续执行不必阻塞，之后fs和user开始初始化。再之后fs进入serv函数，同时在未接收到user发来的请求信息时，由ipc_receive()将自身状态修改为ENV_NOT_RUNNABLE进行阻塞，等到user发送信息后fs再开始进行服务，与此同时user进程被阻塞，fs服务完成后将相应信息发送给user，然后等待下一个请求，user执行之后的操作。

二、难点分析

本次实验是实现文件系统，文件系统本身就是操作系统里面一个重要的部分，实现文件系统才能方便操作系统的管理。文件系统与IO有很强的关联，所以完成本次实验需要对IO和文件系统都有较深的理解，而这两部分的内容都是庞大的，所以本次实验难度较大。具体分析，我认为有以下难点：

对外设与操作系统连接的认识与理解
对文件系统整体实现的理解
对外设驱动的认识
对磁盘结构以及如何读写的认识
对微内核实现文件系统的认识
对磁盘块缓存的认识
对文件系统下如何查找文件的认识
对文件描述符的理解
对文件系统服务整体流程的理解

三、心得体会

在lab5中，我跟着指导书以及实验代码的提示跌跌撞撞完成了本次实验，本次实验代码的难度并不大，按照提示来编写几乎遇不到什么坎，最可能出现的是一些小问题，所以细心编写还是花不了太多时间就能完成代码的。但本次的内容同样也十分庞杂，与理论课上讲的IO以及文件系统不同，指导书从操作系统具体是怎么从代码上去实现整个文件系统的入手，这会变得更加具象，比理论课上的一些知识更加难以理解。因此需要花费较多时间去细啃指导书，但通过仔细阅读指导书，同时对照着跳板机上的代码实现，我的确感受到了文件系统设计的精妙。

P.Y.T

BUAA操作系统lab5