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基于简单文件系统（Simple File System）模拟环境，理解文件系统的基本实现

面向文件系统的用户操作

• mkdir() - 创建一个新目录
• creat() - 创建一个空文件
• open(), write(), close() - 对文件写一个数据buffer,注意常规文件的最大size是一个data block，所以第二次写（写文件的语义是在上次写的位置后再写一个data block）会报错（文件大小满了）。或者如果data block也满了，也会报错。
• link() - 对文件创建一个硬链接（hard link）
• unlink() - 对文件取消一个硬链接 (如果文件的链接数为0，则删除文件

disk filesystem的内部组织和关键数据结构

disk filesystem的内部组织

• superblock : 可用inode数量，可用data block数量
• inode bitmap ： inode的分配图（基于bitmap）
• inodes ： inode的存储区域
• data bitmap ： data block的分配图（基于bitmap）
• data ： data block的存储区域

bitmap: 0表示inode/data block是free， 1表示inode/data block是allocated

关键数据结构

inode数据结构

• inode : 包含3个fields, 用python list 表示
  • file type: f -> 常规文件：regular file, d -> 目录文件：directory
  • data block addr of file content: -1 -> file is empty
  • reference count: file/directory的引用计数

比如 刚创建的一个空文件inode： [f a:-1 r:1]， 一个有1个硬链接的文件inode [f a:10 r:2]

数据块内容结构

• 一般文件的内容的表示：只是包含单个字符的list，即占一个data block，比如['a'], ['b'] .....
• 目录内容的表示： 多个两元组（name, inode_number）形成的list，比如， 根目录 [(.,0) (..,0)]， 或者包含了一个'f'文件的根目录[(.,0) (..,0) (f,1)] 。

注意：一个目录的目录项的个数是有限的。 block.maxUsed = 32

注意：data block的个数是有限的,为 fs.numData

注意：inode的个数是有限的,为 fs.numInodes

完整文件系统的例子

fs.ibitmap: inode bitmap 11110000
fs.inodes:       [d a:0 r:5] [f a:1 r:1] [f a:-1 r:1] [d a:2 r:2] [] ...
fs.dbitmap: data bitmap  11100000
fs.data:         [(.,0) (..,0) (y,1) (z,2) (x,3)] [u] [(.,3) (..,0)] [] ...

此文件系统已使用8个inode空间, 8个data blocks. 其中，根目录包含5个目录项，”.“，”..“，”y“，”z“，”x“, ”y“是常规文件,并有文件内容，包含一个data block，文件内容为”u“。”z“是一个空的常规文件。”x“是一个目录文件，是空目录。

辅助数据结构

也可理解为内存中的文件系统相关数据结构

• fs.files :当前文件系统中的常规文件list
• fs.dirs : 当前文件系统中的目录文件list
• fs.nameToInum ： 文件名:inode_num的对应关系

文件系统执行流程

文件系统初始化

第一步：格式化sfs文件系统

        self.numInodes = numInodes
        self.numData   = numData
        
        self.ibitmap = bitmap(self.numInodes)
        self.inodes  = []
        for i in range(self.numInodes):
            self.inodes.append(inode())

        self.dbitmap = bitmap(self.numData)
        self.data    = []
        for i in range(self.numData):
            self.data.append(block('free'))

第二步：创建sfs文件系统的根目录

        self.ibitmap.markAllocated(self.ROOT)
        self.inodes[self.ROOT].setAll('d', 0, 2)
        self.dbitmap.markAllocated(self.ROOT)
        self.data[0].setType('d')
        self.data[0].addDirEntry('.',  self.ROOT)
        self.data[0].addDirEntry('..', self.ROOT)

第三步：在内存中保存相关数据

        self.files      = []
        self.dirs       = ['/']
        self.nameToInum = {'/':self.ROOT}         

第四步：随机生成文件相关的操作，改变sfs文件系统的内容

• doAppend:
  • fd=open(filename, O_WRONLY|O_APPEND); write(fd, buf, BLOCKSIZE); close(fd);
• doDelete:
  • unlink()filename)
• doLink
  • link()targetfile, sourcefile)
• doCreate
  • create(filename) OR mkdir(dirname)

问题1：

根据sfs文件系统的状态变化信息，给出具体的文件相关操作内容.

问题2：

在sfs-homework.py 参考代码的基础上，实现 writeFile, createFile, createLink, deleteFile，使得你的实现能够达到与问题1的正确结果一致

问题3：

实现soft link机制，并设计测试用例说明你实现的正确性。