文章目錄

• 1.實驗要求
• 2.實驗環境
• 3.實驗設計
• • 3.1系統流程
  • 3.2文件結構
  • 3.3實現的命令
• 4.數據結構
• • 4.1 用戶數據結構
  • 4.2 文件數據結構
  • 4.3 目錄數據結構
• 5.模塊詳解
• • 5.1 用戶指令
  • • 5.1.1 cd
    • 5.1.2 ls
    • 5.1.3 mkdir
    • 5.1.4 touch
    • 5.1.5 gedit
    • 5.1.6 rm
    • 5.1.7 cp
    • 5.1.8 rename
    • 5.1.9 su
    • 5.1.10 cls
    • 5.1.11 exit
    • 5.1.12 help
  • 5.2 其他系統操作
  • • 5.2.1 登錄
    • 5.2.2 保存系統狀態
    • 5.2.3 恢復系統狀態
    • 5.2.4 路徑解析
• 6.實驗演示
• • 6.1登錄
  • 6.2幫助文檔與使用說明
  • 6.3 cd命令
  • 6.4 ls命令
  • 6.5 mkdir命令
  • 6.6 touch命令
  • 6.7 gedit命令
  • 6.8 rm命令
  • 6.9 cp命令
  • 6.10 用戶權限
• 實現代碼

1.實驗要求

設計和實現一個模擬文件系統，要求包括目錄、普通文件和文件的存儲。。

文件系統的目錄結構采用類似Linux的樹狀結構。

要求模擬的操作包括：

• 目錄的添加、刪除、重命名；

• 目錄的顯示（列表）；

• 文件的添加、刪除、重命名；

• 文件和目錄的拷貝；

• 文件的讀寫操作。

用戶進入時顯示可用命令列表；用戶輸入help時顯示所有命令的幫助文檔；
輸入某個命令+？時顯示該條命令的使用說明。

用戶輸入exit時退出該系統。

實驗實現基于LINUX平臺。

實驗開發語言必須選用C/C++，不能選用JAVA。

2.實驗環境

• 調試環境：

• 操作系統：Ubuntu 16.04 TLS；

• 內存：3.5GiB

• 處理器：AMD E-350 Processor×2

• 圖形：AMD PALM（DRM 2.50.0/4.15.0-45-generic,LLVM 6.6.6）

• 操作系統類型：64位

• 磁盤：30.4GB

• 開發環境：

  • 開發工具：Visual Studio 2017；

  • 操作系統：Windows 10 家庭中文版；

  • 處理器：Inter? Core? i7-8565u CPU @ 1.8GHz 1.99 GHz；

  • 內存：8.00 GB；

  • 系統類型：64位操作系統，基于x64的處理器。

3.實驗設計

3.1系統流程

整體系統操作模擬Ubuntu命令行，具體流程如下：

3.2文件結構

整體系統采用屬性結構組織文件，具體圖示如下：

3.3實現的命令

命令用法說明選項

cd	cd [dir]	顯示當前目錄名或改變當前目錄	無
ls	ls [dir]	顯示當前或指定路徑下所有文件和目錄	無
mkdir	mkdir dir	在當前目錄下建立一個新目錄	無
touch	touch file	在當前目錄下新建一個新文件	無
gedit	gedit file	讀寫指定的文件	無
rm	rm -d|-f file|dir	刪除指定的目錄或文件	-d：刪除目錄 -f：刪除文件
cp	cp -d|-f|-cd|-cf SOURSE DEST	從原路徑復制一個文件或目錄到目的路徑下	-d：復制目錄 -f：復制文件 -cd：復制目錄，但不在原路徑下保留原目錄 -cf：復制文件，但不在原路徑下保留原文件
rename	rename -d|-f oldname newname	更改指定文件或目錄的名字	-d：重命名目錄 -f：重命名文件
su	su	更改當前用戶	無
cls	cls	清屏	無
exit	exit	退出文件系統	無
help	help	顯示幫助文檔	無

4.數據結構

為簡化代碼結構，系統未采用面向對象編程的思想。將用戶、文件、目錄分別封裝成一個struct結構體。

4.1 用戶數據結構

struct user{string name;//用戶名string password;//密碼};

說明：用戶結構體中包含用戶的用戶名以及密碼。

4.2 文件數據結構

struct file{string name;//文件名vector<string> content;//文件內容user owner;//文件所有者};

說明：文件結構體包含文件名、文件內容以及文件所有者。需要特別指出的是，目前系統實現的多用戶權限可以概括為：文件創建者為文件所有者，非文件所有者可以知道該文件的存在，但不能對該文件執行讀寫、復制、刪除等操作。

4.3 目錄數據結構

struct dir {string name;//目錄名dir* pre;//父目錄map<string, file*> files;//所包含的文件map<string, dir*> next;//子目錄};

說明：目錄結構體包含目錄名、父目錄、當前目錄下的文件以及直接子目錄。其中，為方便代碼編寫，后兩個成員使用map容器包裝，其中map的first為文件名（或目錄名），second為對應的文件指針（或目錄指針）。

5.模塊詳解

5.1 用戶指令

以下按3.3節展開。

5.1.1 cd

• 說明：顯示當前目錄的絕對路徑或改變當前目錄。

• 流程圖：

• 關鍵代碼：

//cd void cd(string name) { if (name == "") { //顯示當前目錄的絕對路徑 } else { dir* tmp = pathTrans(name);//解析路徑 if (tmp == NULL) { cout << "No Such Directory.\n"; } else { curdir = tmp;//進入用戶輸入的路徑 } } }

5.1.2 ls

• 說明：顯示當前目錄下或指定路徑下所有文件和目錄。

• 流程圖：

• 關鍵代碼：

//ls void ls(string path) { dir *tmp = curdir; if (path != "") { curdir = pathTrans(path);//解析路徑 if (curdir == NULL) { //輸出錯誤提示 } } //遍歷輸出文件和目錄信息 for (auto it = curdir->files.begin(); it != curdir->files.end(); it++) { } for (auto it = curdir->next.begin(); it != curdir->next.end(); it++) { } curdir = tmp; }

5.1.3 mkdir

• 說明：在當前目錄下建立一個新目錄。

• 用法：mkdir dir，其中dir表示新建目錄的目錄名。

• 流程圖：

• 關鍵代碼：

//創建目錄 void mkdir(string name) { if (name == "") { cout << "Require Parameters" << endl; } else if (curdir->next.find(name) != curdir->next.end()) { cout << "There is a directory having same name.\n"; } else if (!judgeName(name)) { cout << "Name has at least a illegal character.\n"; } else { dir *tmp = new dir();//一定要這樣創建，否則字符串后面就不能讀取 tmp->name = name; tmp->pre = curdir; curdir->next[name] = tmp; } }

5.1.4 touch

• 說明：在當前目錄下新建一個新文件。

• 用法：touch file，其中file表示新建文件的文件名

• 流程圖：

• 關鍵代碼：

//建立文件 void touch(string name) { if (name == "") { cout << "Require Parameters" << endl; } else if (curdir->files.find(name) != curdir->files.end()) { cout << "There is a same file.\n"; } else if (!judgeName(name)) { cout << "Name has at least a illegal character.\n"; } else { //建立對應的新文件 } }

5.1.5 gedit

• 說明：讀寫指定的文件。

• 用法：gedit file，其中file表示需要讀寫的文件，可以用絕對路徑或相對路徑指定。

• 流程圖：

• 關鍵代碼：

//編輯文件 void gedit(string name) { dir *t = curdir; if (name.find_last_of('/') != name.npos) { //解析路徑 } //是否存在目標文件 if (curdir->files.find(name) == curdir->files.end()) {} //目標文件是否為當前用戶所擁有 else if (curdir->files[name]->owner.name != curuser.name) {} else { ofstream out("tmp.dat"); //將文件當前內容輸入臨時文件 for (int i = 0; i < curdir->files[name]->content.size(); i++) {} out.close(); //用gedit打開臨時文件 system("gedit tmp.dat"); //讀取臨時文件中的內容，存入文件 ifstream in("tmp.dat"); while (getline(in, t)) { //讀取臨時文件內容 } } curdir = t; }

• 代碼解釋：

  因本文件系統完全運行在內存中，創立的文件與目錄并未存在實際磁盤中。因此，為提高用戶讀寫文件的體驗，在此引入了一個臨時文件機制：將存儲在內存中的文件暫時存儲到臨時文件中，然后用gedit打開這個臨時文件。在用戶編輯完成后，再將臨時文件中的內容轉存到內存中。

  Gedit是一個GNOME桌面環境下兼容UTF-8的文本編輯器。它使用GTK+編寫而成，因此它十分的簡單易用，有良好的語法高亮，對中文支持很好，支持包括gb2312、gbk在內的多種字符編碼。

  雖然這樣的操作效率不高，但是借助gedit強大的功能，能給用戶帶來一種編輯真實文件的體驗。

5.1.6 rm

• 說明：刪除指定的目錄或文件。

• 用法：rm -d|-f
  file|dir，其中file與dir代表需要刪除的文件或目錄，目錄（或文件）均可用絕對路徑或者相對路徑表示。

• 選項：

  • -d：刪除目錄；

  • -f：刪除文件。

• 流程圖：

• 關鍵代碼：

//刪除 void rm(string tmp) { //選項解析，路徑解析 //刪除目錄 if (option == "-d") { //是否存在目標目錄 if (curdir->next.find(name) == curdir->next.end()) {} else { deletedir(curdir->next[name]);//遞歸刪除 } } else if (option == "-f") { //是否存在目標目錄 if (curdir->files.find(name) == curdir->files.end()) {} //是否為文件所有者 else if (curdir->files[name]->owner.name != curuser.name) {} else { delete(curdir->files[name]); } } }

• 代碼解釋：因本系統采用樹形的目錄結構，因此在刪除目錄時需要用到遞歸，如deletedir函數所示。

//遞歸刪除目錄 void deletedir(dir *cur) { //先刪文件 for (auto it = cur->files.begin(); it != cur->files.end(); it++) { delete(it->second); } cur->files.clear(); //再刪目錄，要嵌套刪除 for (auto it = cur->next.begin(); it != cur->next.end(); it++) { deletedir(it->second); } cur->next.clear(); delete(cur); }

5.1.7 cp

• 說明：復制一個文件或目錄到指定路徑下。

• 用法：cp -d|-f|-cd|-cf SOURCE
  DEST，其中SOURCE為需要復制的文件或目錄，DEST為需要復制到的路徑。SOURCE與DEST均可用絕對路徑或者相對路徑表示。

• 選項：

  • -d：復制目錄

  • -f：復制文件

  • -cd：復制目錄，但不在原路徑下保留原目錄

  • -cf：復制文件，但不在原路徑下保留原文件

• 流程圖：

• 關鍵代碼：

//復制 void cp(string tmp) { //解析選項與路徑 if (option == "-f") { //是否有同名文件 if (den->files.find(name) != den->files.end()) {} //是否存在目標文件 else if (sou->files.find(name) == sou->files.end()) {} //是否為當前用戶所擁有 else if (curdir->files[name]->owner.name != curuser.name) {} else { file *tmp = new file(*(sou->files[name]));//復制文件 den->files[name] = tmp;//放入目的目錄下 } } else if (option == "-d") { //是否有同名目錄 if (den->next.find(name) != den->next.end()) {} //是否存在目標目錄 else if (sou->next.find(name) == sou->next.end()) {} else { dir *tmp = cpDir(sou->next[name]);//遞歸復制目錄 tmp->pre = den;den->next[name] = tmp;//放入到目的目錄下 } } else if (option == "-cf") { //是否有同名文件 if (den->files.find(name) != den->files.end()){} //是否存在目標文件 else if (sou->files.find(name) == sou->files.end()){} //是否為當前用戶所擁有 else if (curdir->files[name]->owner.name != curuser.name){} else { den->files[name] = sou->files[name];//放入到目的目錄下 sou->files.erase(name); } } else if (option == "-cd") { //是否有同名目錄 if (den->next.find(name) != den->next.end()){} //是否存在目標目錄 else if (sou->next.find(name) == sou->next.end()){} else { den->next[name] = sou->next[name];//放入到目的目錄下 sou->next.erase(name); } } }

• 代碼解釋：跟刪除類似，在復制目錄時需要用到遞歸復制，如cpDir所示。

//遞歸復制目錄 dir* cpDir(dir *tmp) { dir *goal = new dir(*tmp); //清除原來的內容 goal->next.clear(); goal->files.clear(); //把文件重建 for (auto it = tmp->files.begin(); it != tmp->files.end(); it++) { file *f = new file(*(it->second)); goal->files[it->first] = f; } //重建目錄 for (auto it = tmp->next.begin(); it != tmp->next.end(); it++) { dir *d = cpDir(it->second); d->pre = goal; goal->next[it->first] = d; } return goal; }

5.1.8 rename

• 說明：更改指定文件或目錄的名字。

• 用法：rename -d|-f oldname
  newname，oldname代表需要重命名的目錄或文件，newname代表重命名后的名字。oldname可以使用絕對路徑或相對路徑。

• 選項：

  • -d：重命名目錄；

  • -f：重命名文件。

• 流程圖：

• 關鍵代碼：

void rename(string tmp) { //解析路徑與選項 if (!judgeName(newname)) {}//新名字中是否有非法字符 if (option == "-d") { if (curdir->next.find(old) == curdir->next.end()) {}//是否存在目標目錄 else if (curdir->next.find(newname) != curdir->next.end()) {}//是否存在與新名字重名的目錄 else { //重命名 } } else if (option == "-f") { if (curdir->files.find(old) == curdir->files.end()) {}//是否存在對應文件 else if (curdir->files.find(newname) != curdir->files.end()) {}//是否存在與新名字重名的文件 else if (curdir->files[old]->owner.name != curuser.name) {}//需重命名文件是否為當前用戶擁有 else { //重命名 } } }

5.1.9 su

• 說明：更改當前用戶（調用login函數，詳見下文）。

5.1.10 cls

• 說明：清屏。

5.1.11 exit

• 說明：退出文件系統（主要調用save函數，詳見下文）。

5.1.12 help

• 說明：顯示幫助文檔。

5.2 其他系統操作

5.2.1 登錄

• 流程圖：
  

• 關鍵代碼：

void login() { bool flag = 1; map<string, string> users;//所有注冊用戶 //打印歡迎語 ifstream in("user.dat"); string tname, tpass; while (in >> tname >> tpass) {}//讀入所有注冊用戶的信息 //輸入用戶名 while (flag) { if (users.find(tname) == users.end()) {}//注冊用戶中是否有輸入用戶 else { if (users[tname] == tpass) { //核對用戶名與密碼是否匹配 } else { printf("password is incorrect!\n"); } } } if (!flag) { printf("This user is not exist.\nDo you want to creat a new user?(y/n):"); char choice; cin >> choice; if (choice == 'Y' || choice == 'y') { //注冊 } else { login(); } } //重新存回 ofstream out("user.dat"); for (auto it = users.begin(); it != users.end(); it++) {} return; }

5.2.2 保存系統狀態

為提高用戶體驗，每次用戶使用exit命令退出系統時，系統會保存退出前的系統狀態。

保存系統狀態的主要實現思想是：通過遞歸遍歷系統的目錄結構，以字符串向量的形式存儲包括目錄名、文件名、文件內容在內的所有信息。最后將字符串向量存入record.dat文件。字符串向量內部的結構類似xml文件。具體流程圖與代碼如下：

• 流程圖：

  • exit函數：

• save函數：

• 具體代碼：

//退出系統 void exit() { records.clear(); save(root); ofstream outr("record.dat"); for (int i = 0; i < records.size(); i++) { outr << records[i] << endl; } } //存儲目前情況 void save(dir *tmp) { records.push_back(tmp->name);//目錄名 records.push_back(to_string(tmp->files.size()));//文件數 for (auto it = tmp->files.begin(); it != tmp->files.end(); it++) { records.push_back(it->second->name);//文件名 for (int i = 0; i < it->second->content.size(); i++) { records.push_back( it->second->content[i]);//文件內容 } records.push_back("content");//文件內容結束符 records.push_back(it->second->owner.name);//所有者用戶名 records.push_back(it->second->owner.password);//所有者密碼 } records.push_back(to_string(tmp->next.size()));//子目錄數 for (auto it = tmp->next.begin(); it != tmp->next.end(); it++) { records.push_back(it->second->name);//子目錄名 save(it->second);//遞歸子目錄 } }

為方便調試，record.dat文件以明文存儲，文件內容如下：

5.2.3 恢復系統狀態

為提高用戶體驗，每次打開系統時，系統會根據record.dat文件存儲的系統狀態恢復上一次退出前的系統狀態。

恢復系統狀態的實現思想與保存系統狀態（5.2.2）類似，根據record.dat的數據重建目錄結構。
具體流程圖與代碼如下：

• 流程圖：

  • init函數：

• creat函數：

• 具體代碼：

void init() { ifstream inr("record.dat"); string tmp; if (!inr) { initDir(); } while (inr >> tmp) records.push_back(tmp); if (records.size() >= 1) { root = curdir = creat(NULL); } else { initDir(); } } //還原上一次系統關閉狀態 dir* creat(dir *last) { dir *tmp = new dir();//新建目錄 tmp->name=records[reco++];//讀取目錄名 tmp->pre = last;//設置父指針 string t; t= records[reco++];//讀取文件數 for (int i = 0; i < stoi(t); i++) { file *tfile = new file();//新建文件 tfile->name= records[reco++];//讀取文件名 while (1) { string ts; ts= records[reco++];//讀取文件內容 if (ts != "content") {//不是關鍵字就持續讀入內容 tfile->content.push_back(ts); } else { break; } } user a; a.name = records[reco++];//讀取用戶名 a.password= records[reco++];//密碼 tfile->owner = a; tmp->files[tfile->name] = tfile;//將新建的文件加入目錄 } t= records[reco++];//子目錄數 for (int i = 0; i < stoi(t); i++) { string name; name= records[reco++];//子目錄名 tmp->next[name] = creat(tmp);//遞歸新建子目錄 } return tmp; }

5.2.4 路徑解析

為提高用戶體驗，系統引入了路徑解析的機制，可以讓包括cd、ls、gedit在內的多種操作同時支持相對路徑與絕對路徑。絕對路徑與相對路徑的表示方式與Ubuntu系統相同。

路徑解析輸入的參數為絕對路徑或相對路徑，返回的結果是目標目錄的指針。具體流程圖與代碼如下：

• 流程圖：

• 關鍵代碼：

dir* pathTrans(string path) { string tmp = path; //絕對路徑 if (path[0] == '~' || path[0] == '/') { dir *cur = root; if (path[0] == '/')path = "~" + path; vector<string> tmp = split(path);//按照/分割路徑 for (int i = 1; i < tmp.size(); i++) { if (cur->next.find(tmp[i]) == cur->next.end()) { return NULL; } cur = cur->next[tmp[i]]; } return cur; } //相對路徑 else { dir *cur = curdir; vector<string> tmp = split(path);//按照/分割路徑 for (int i = 0; i < tmp.size(); i++) { if (tmp[i] == ".") { } else if (tmp[i] == "..") { if (cur == root) {//不能再往上走了 return NULL; } else { cur = cur->pre; } } else if (cur->next.find(tmp[i]) == cur->next.end()) { return NULL; } else if (cur->next.find(tmp[i]) != cur->next.end()) { cur = cur->next[tmp[i]]; } } return cur; } return NULL; }

6.實驗演示

6.1登錄

• 歡迎界面

• 當用戶名與密碼不匹配，系統會讓用戶反復輸入密碼，直到正確為止：

• 當輸入用戶名與不在已注冊用戶中，若用戶同意創建用戶，系統會根據先前輸入的用戶名與密碼創建用戶：

6.2幫助文檔與使用說明

• 用戶輸入help時顯示所有命令的幫助文檔：

• 輸入某個命令+？時顯示該條命令的使用說明：

6.3 cd命令

說明：紅框為目前根節點下擁有的目錄；黃框展示使用相對路徑、絕對路徑更改目錄，以及回到上一級目錄的情況；藍框展示遇到錯誤路徑的情況。

6.4 ls命令

說明：黃框展示有參及無參ls命令的使用情況；藍框展示遇到錯誤路徑的情況。

6.5 mkdir命令

說明：紅框展示目前根節點下擁有的目錄；黃框展示新建一個paly目錄的情況；藍框展示遇到重名目錄的情況；第三張圖展示新建目錄名中存在非法字符的情況。

6.6 touch命令

說明：紅框展示~/study/college目錄下擁有的文件；黃框展示新建一個test2.txt文件的情況；藍框展示遇到重名文件的情況；展示新建文件名中存在非法字符的情況。

6.7 gedit命令

說明：紅框展示~/study/college目錄下擁有的文件；黃框展示讀寫test2.txt文件的情況，截圖下半部為gedit打開臨時文件；藍框展示遇到缺少文件名及文件非當前用戶擁有的情況。

6.8 rm命令

說明：紅框展示根目錄下擁有的文件與目錄；黃框展示刪除work目錄的情況；綠框展示刪除test.txt文件的情況；藍框展示遇到不存在目錄或文件的情況。

6.9 cp命令

說明：紅框展示~/study目錄與~/work目錄下擁有的文件與目錄；黃框展示復制college目錄到~/work目錄的情況。

說明：紅框展示~/work與~/study/college目錄下擁有的文件與目錄；黃框展示復制test2.txt文件到~/work目錄的情況。

說明：紅框展示~/work與~/study/college目錄下擁有的文件與目錄；黃框展示剪貼test2.txt文件到~/work目錄的情況。

說明：紅框展示~/work與~/study目錄下擁有的文件與目錄；黃框展示剪貼college目錄到~/work目錄的情況。

6.10 用戶權限

系統實現的多用戶權限可以概括為：文件創建者為文件所有者，非文件所有者可以知道該文件的存在，但不能對該文件執行讀寫、復制、刪除等操作。下圖展示了非文件所有者不能對文件執行gedit、rm、rename、cp命令的情況：

實現代碼

代碼詳見github，歡迎star！

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统课程设计：模拟文件系统的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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