操作系统实验报告文件系统

Posted 2021-08-15 mp-ui

一、 实验目的

1、 熟悉Linux文件系统的文件和目录结构，掌握Linux文件系统的基本特征；
2、 模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件。

二、 实验环境

Ubuntu 20.10、gcc编译器

三、 实验内容

1、 浏览Linux系统根目录下的子目录，熟悉每个目录的文件和功能；
2、 设计程序模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件。

四、 实验要求

1、 对文件系统命令和库函数要提前熟悉；
2、 画出备份文件的过程图；
3、 测试数据文件提前准备好；
4、 编写程序并调试；
5、 截屏输出实验结果；
6、 根据实验结果与理论课讲述的原理进行实验分析。

五、 实验原理 实验中用到的系统调用函数（包括实验原理中介绍的和自己采用的），实验步骤

实验原理：

1、 Linux各种发行版的目录结构基本一致，各个目录简单介绍如下：


2、 Linux的文件结构是单个的树状结构.可以用tree进行展示。文件操作命令见附录1，

3、 Linux文件系统：Linux 中允许众多不同的文件系统共存，如 ext2, ext3, vfat 等。通过使用同一套文件 I/O 系统 调用即可对 Linux 中的任意文件进行操作而无需考虑其所在的具体文件系统格式；更进一步，对文件的 操作可以跨文件系统而执行。“一切皆是文件”是 Unix/Linux 的基本哲学之一。不仅普通的文件，目录、字符设备、块设备、 套接字等在 Unix/Linux 中都是以文件被对待；它们虽然类型不同，但是对其提供的却是同一套操作界面。

4、 虚拟文件系统（Virtual File System, 简称 VFS）， 是 Linux 内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口；同时，它也提供了内核中的一个 抽象功能，允许不同的文件系统共存。系统中所有的文件系统不但依赖 VFS 共存，而且也依靠 VFS 协同工作。为了能够支持各种实际文件系统，VFS 定义了所有文件系统都支持的基本的、概念上的接口和数据 结构；同时实际文件系统也提供 VFS 所期望的抽象接口和数据结构，将自身的诸如文件、目录等概念在形式 上与VFS的定义保持一致。换句话说，一个实际的文件系统想要被 Linux 支持，就必须提供一个符合VFS标准 的接口，才能与 VFS 协同工作。实际文件系统在统一的接口和数据结构下隐藏了具体的实现细节，所以在VFS 层和内核的其他部分看来，所有文件系统都是相同的。

5、利用C库函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose() 来实现简单的文件备份， 即将一个文件的内容拷贝到另一个文件中去。

实验中用到的系统调用函数：

open(),read(),write(),close()

实验步骤：

1. 熟悉文件系统命令：
   
   

2. 熟悉系统调用函数open(),read(),write(),close()：
   
   

3. 熟悉C库函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose()：
   
   

4. 画出备份文件的过程图：
   两种方法备份文件的方法都是一样的，所以下面这个流程图对这两个方法都适用：
   

六、 实验结果分析（截屏的实验结果，与实验结果对应的实验分析）

1、实验结果与实验程序、实验步骤、实验原理、操作系统原理的对应分析；
2、不同条件下的实验结果反应的问题及原因；
3、实验结果的算法时间、效率、鲁棒性等性能分析。

浏览Linux系统根目录下的子目录，熟悉每个目录的文件和功能：

根目录下的所有文件：

/bin:

/boot:

/dev：

/etc:

/home:

/lib:

/media:

/mnt:

/opt:

/proc:

/root:
（无法访问）
/sbin:

/tmp:

/usr:

/srv:
（文件夹为空）

设计程序模拟实现Linux文件系统的简单I/O流操作：备份文件：

备份的文件存放在目录"/home/prince/file.txt"中，文件内容如图所示：
（不放图了，因为是在新华网随便复制的一篇文章，放图上来竟然能被识别到）

分别使用系统调用函数和C库函数对这个文件进行备份，备份文件名分别为backup1.txt和backup2.txt，运行程序，结果如图所示：

打开文件backup1.txt和backup2.txt，对比里面的内容：
（也不放图了，理由同上）

七、 实验数据及源代码（学生必须提交自己设计的程序源代码，并有注释，源代码电子版也一并提交），包括思考题的程序。

程序源代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h> 
#include <string.h>
const char* source = "/home/prince/file.txt"; //需要备份的源文件路径

//使用系统调用函数open(),read(),write(),close()
void backup1(){
    int src,dest,size;
    char str[128];
    src = open(source,O_RDONLY);
    dest = open("/home/prince/backup1.txt", O_WRONLY | O_CREAT); //写文件，如果文件不存在则创建
    if(src == -1){
        printf("src文件打开失败\\n");
        return;
    }
    if(dest == -1){
        printf("dest文件打开失败\\n");
        close(src);
        return;
    }
    while((size = read(src,str,sizeof(str)))){
        write(dest,str,size);
    }
    close(src);
    close(dest);
    printf("源文件file.txt已经成功备份，备份文件为backup1.txt\\n");
}

//使用c库函数fopen(),fread(),fwrite(),fclose()
void backup2(){
    char str[128];
    FILE *src, *dest;
    int size;
    src = fopen(source,"r");//读取源文件
    dest = fopen("/home/prince/backup2.txt","w");
    if(!src){
        printf("src 打开文件失败！\\n");
        return;
    }
    if(!dest){
        printf("dest 打开文件失败！\\n");
        fclose(src);
        return;
    }
    //循环读取内容，直到读取到文件结尾
    while((size = fread(str,sizeof(char),128,src))){
        //printf("%d %s\\n",size, str);
        fwrite(str,sizeof(char),size,dest);
    }
    fclose(src);
    fclose(dest);
    printf("源文件file.txt已经成功备份，备份文件为backup2.txt\\n");
}

int main(){
    backup1();
    backup2();
    return 0;
}

八、思考题：

1、使用系统调用函数open(),read(),write(),close()实现简单文件备份的原理是什么？
答：
①系统调用open()函数，指定一个文件路径，则会返回一个大于0的文件描述词，如果返回值为-1代表打开文件失败。这个文件描述词可以被read()/write()和其他的系统调用函数使用。
②使用read()函数，可以向文件描述词fd对应的文件中读取size个字节的数据，并将数据存入缓冲区ptr中
③使用write()函数，可以将缓冲区ptr里前size个字节的数据写入文件描述词fd对应的文件中
④使用close()函数，可以关闭该文件，释放资源

2、使用C库函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose() 来实现简单文件备份的原理是什么？
答：
①C库函数fopen()，可以根据指定的文件路径，读取文件，并把文件保存在FILE中
②fread()函数可以在stream对应的文件中读取sizenmemb个字节的数据存入缓冲区ptr中
③fwrite()函数可以往stream对应的文件中写入缓冲区ptr中前size*nmemb个字节的数据
④fclose()函数，可以关闭指定的流，释放资源

3、上述二者的区别在哪里？
答：从功能上看，上述二者并无差别，在代码实现上也非常地相似，但是在原理上，上述二者具有以下差别：
①open(),read(),write(),close()为系统调用函数，执行的时候必须从用户模式切换到内核模式，执行完毕后，再从内核模式切换到用户模式
②fopen(),fread(),fwrite(),fclose()为C库函数，只在用户态调用和执行
③系统调用函数因为需要在用户态和内核态之间来回切换，所以非常影响系统的性能，可以在一次系统调用中尽可能多地完成工作，以达到减少系统调用次数的目的，从而减少开销。后者比前者的效率要高很多。
④前者是系统函数，不可移植，在不同的操作系统上系统调用函数是不同的，而后者是标准C库函数，是可以移植的，所以在不同的操作系统上都是相同的。