设备驱动与文件系统：05 文件使用磁盘的实现

从文件使用磁盘的实现逻辑分享

我们现在讲第30讲，内容是文件使用磁盘的具体实现，也就是相关代码是如何编写的。上一节我们探讨了如何从字符流位置算出盘块号，这是文件操作磁盘的核心。而这节课，我们将深入研究实现这一核心功能的实际代码。

一、文件读写磁盘的接口与流程

通过文件来使用磁盘，最常用的操作就是读写，以write操作为例。我们知道，write的格式需要传递三个参数：第一个是文件描述符fd，用于指定操作的文件；第二个是内存缓冲区，用于存储要写入文件的数据或读取文件数据的存储区域；第三个是读写字符的个数。从这个接口可以看出，用户在使用时接触到的是字符流相关的概念，并没有直接涉及盘块号，但在系统内部，必然会将这些字符流信息换算成盘块号，因为磁盘实际读写操作关注的是扇区，需要根据盘块号进一步算出扇区。

在实际操作中，write到了内核中就变成sys_write，这是系统调用的基本知识。sys_write首先要获取inode，inode本质上就是FCB（文件控制块），获取它就相当于掌握了文件的关键信息。接下来，要根据FCB以及读写的字符流位置，算出对应的盘块号，得到盘块号后，就可以进行读写操作了。

进一步跟踪代码，file_write函数在这个过程中发挥重要作用，它需要接收inode、file、内存缓冲区以及读写长度等参数。这里需要注意的是，字符流中的读写位置信息其实存储在file中。

二、字符流读写位置的确定

file中有一个f_pos指针，它就是我们所说的读写指针。如果大家编写过较多的C程序并操作过文件，就会对文件读写指针比较熟悉，常用的fseek函数就是用来调整这个指针的。在文件刚打开时，读写指针指向第0个位置，随着不断读写，指针会向后移动，这也就形成了我们所说的字符流。

如果是追加写入，pos会被设置为inode中的i_size，也就是文件的大小，这样就相当于把写入位置放在了文件末尾；如果不是追加写入，pos则会取出上一次读写的位置，继续往后读写。这样，我们就得到了字符流中的读写位置，再结合count参数，就能确定具体的读写范围。

三、根据读写位置计算盘块号

得到字符流中的读写位置后，接下来关键的一步就是根据读写位置找到盘块号，这是文件抽象的核心，inode在其中发挥着重要作用。计算盘块号时，需要用读写位置除以盘块的尺寸，得到对应的逻辑块号。

在Linux 0.11系统中，文件存储采用了直接块和索引块的方式。如果f_block小于7，说明是直接块，此时可以直接从inode的i_block中获取对应的盘块号，因为要写入新内容，所以还需要先申请一个空闲块，并将其记录在i_block中；如果f_block大于等于7且小于512，则进入一阶索引阶段，需要先将一阶索引块读进来，再从索引块中找到对应的盘块号；如果涉及更复杂的情况，还可能会有二阶索引等。

四、向磁盘发出读写请求

一旦确定了盘块号，就可以通过bread函数（如果是写操作则类似流程）进一步处理。bread函数会根据盘块号算出扇区号（由于一个盘块对应两个扇区，所以盘块号左移一位得到扇区号），然后结合内存缓冲区信息，形成一个请求，并将其放入电梯队列。放入电梯队列后，当前操作会阻塞等待，直到磁盘中断发生，从中取出请求，算出CHS（柱面号、磁头号、扇区号），再通过out指令发送到磁盘控制器，从而完成磁盘的读写操作。

在读写完成后，pos指针需要根据实际读写的字符数进行增加，以保证下次读写能够从正确的位置开始，这部分操作和计算盘块号的过程共同构成了文件读写的核心逻辑。

五、inode的双重角色与文件视图

讲到这里，关于从文件到盘块的映射故事基本讲完了。但需要强调的是，inode除了作为从文件对应到盘块号的映射表之外，它还是文件抽象的关键。我们之前讲过文件视图，在系统中，不仅普通的数据文件是文件，设备文件同样也是文件。对于普通文件，inode中的映射表用于实现字符流位置到盘块号的映射；而对于设备文件，inode则用来存放主设备号、次设备号等信息。

通过inode的这种设计，系统形成了统一的文件视图。无论是读写普通磁盘文件，还是操作其他设备文件，用户看到的都是一个连续的字符流，而底层复杂的映射和处理过程都由操作系统完成。这也引出了我们下一节要讲的内容——打开文件，其实质就是从文件名到inode的映射，这是整个文件系统操作的重要环节。

六、课程总结与实验任务

我们最终使用磁盘的基本流程是通过open函数获取文件描述符fd，然后使用read或write等函数基于fd进行操作。今天我们详细讲解了在有了fd之后，如何找到读写位置，并根据inode找到盘块号来实现磁盘读写，整个过程涵盖了从文件名到inode，再到盘块号，最后到磁盘实际操作的完整链条。

最后，给大家布置一个重要的实验任务，这也是操作系统课程八个实验中的最后一个。在Linux 0.11系统中原本没有proc文件，我们需要通过实验创建类似功能，以深入体会文件视图的概念。proc文件通常用于展示进程信息，这些信息存储在内核的task_struct全局数组中。我们要做的就是将这些信息按照文件的方式提取并返回给用户，具体实现过程是当系统发现inode表示的是proc设备时，调用proc_read函数，从task_struct中取出信息存入buffer，再传递给用户端内存，同时不要忘记修改pos指针，以保证数据以统一的字符流形式呈现。再次强调，操作系统的学习离不开实践，只有动手编写代码、完成实验，才能真正掌握操作系统的原理和实现方法。