文件系统接口

简易文件与目录抽象

与课堂所学相比，我们实现的文件系统进行了很大的简化：

  • 扁平化：仅存在根目录 / 一个目录，所有的文件都放在根目录内。直接以文件名索引文件。

  • 不设置用户和用户组概念，不记录文件访问/修改的任何时间戳，不支持软硬链接。

  • 只实现了最基本的文件系统相关系统调用。

打开与读写文件的系统调用

打开文件

/// 功能：打开一个常规文件，并返回可以访问它的文件描述符。
/// 参数：path 描述要打开的文件的文件名（简单起见，文件系统不需要支持目录，所有的文件都放在根目录 / 下），
/// flags 描述打开文件的标志，具体含义下面给出。
/// dirfd 和 mode 仅用于保证兼容性，忽略
/// 返回值：如果出现了错误则返回 -1，否则返回打开常规文件的文件描述符。可能的错误原因是：文件不存在。
/// syscall ID：56
fn sys_openat(dirfd: usize, path: &str, flags: u32, mode: u32) -> isize

目前我们的内核支持以下几种标志（多种不同标志可能共存）：

  • 如果 flags 为 0，则表示以只读模式 RDONLY 打开；

  • 如果 flags 第 0 位被设置（0x001），表示以只写模式 WRONLY 打开；

  • 如果 flags 第 1 位被设置（0x002），表示既可读又可写 RDWR ；

  • 如果 flags 第 9 位被设置（0x200），表示允许创建文件 CREATE ，在找不到该文件的时候应创建文件；如果该文件已经存在则应该将该文件的大小归零；

  • 如果 flags 第 10 位被设置（0x400），则在打开文件的时候应该清空文件的内容并将该文件的大小归零，也即 TRUNC 。

在用户库 user_lib 中，我们将该系统调用封装为 open 接口：

// user/src/lib.rs

bitflags! {
    pub struct OpenFlags: u32 {
        const RDONLY = 0;
        const WRONLY = 1 << 0;
        const RDWR = 1 << 1;
        const CREATE = 1 << 9;
        const TRUNC = 1 << 10;
    }
}

pub fn open(path: &str, flags: OpenFlags) -> isize {
    sys_openat(AT_FDCWD as usize, path, flags.bits, OpenFlags::RDWR.bits)
}

借助 bitflags! 宏我们将一个 u32 的 flags 包装为一个 OpenFlags 结构体，可以从它的 bits 字段获得 u32 表示。

顺序读写文件

在打开一个文件之后，我们就可以用之前的 sys_read/sys_write 两个系统调用来对它进行读写了。本教程只实现文件的顺序读写，而不考虑随机读写。

以本章的测试用例 ch6b_filetest_simple 来介绍文件系统接口的使用方法：

 1// user/src/bin/ch6b_filetest_simple.rs
 2
 3#![no_std]
 4#![no_main]
 5
 6#[macro_use]
 7extern crate user_lib;
 8
 9use user_lib::{
10    open,
11    close,
12    read,
13    write,
14    OpenFlags,
15};
16
17#[no_mangle]
18pub fn main() -> i32 {
19    let test_str = "Hello, world!";
20    let filea = "filea\0";
21    let fd = open(filea, OpenFlags::CREATE | OpenFlags::WRONLY);
22    assert!(fd > 0);
23    let fd = fd as usize;
24    write(fd, test_str.as_bytes());
25    close(fd);
26
27    let fd = open(filea, OpenFlags::RDONLY);
28    assert!(fd > 0);
29    let fd = fd as usize;
30    let mut buffer = [0u8; 100];
31    let read_len = read(fd, &mut buffer) as usize;
32    close(fd);
33
34    assert_eq!(
35        test_str,
36        core::str::from_utf8(&buffer[..read_len]).unwrap(),
37    );
38    println!("file_test passed!");
39    0
40}

  • 第 20~25 行，我们以 只写 + 创建 的模式打开文件 filea ，向其中写入字符串 Hello, world! 而后关闭文件。

  • 第 27~32 行，我们以只读 的方式将文件 filea 的内容读取到缓冲区 buffer 中。 filea 的总大小不超过缓冲区的大小，因此通过单次 read 即可将内容全部读出来而更常见的情况是需要进行多次 read ，直到返回值为 0 才能确认文件已被读取完毕。