OS lab5 思考题

Thinking 5.1

如果通过 kseg0 读写设备，那么对于设备的写入会缓存到 Cache 中。这是一种错误的行为，在实际编写代码的时候这么做会引发不可预知的问题。

请思考：这么做这会引发什么问题？对于不同种类的设备（如我们提到的串口设备和 IDE 磁盘）的操作会有差异吗？可以从缓存的性质和缓存更新的策略来考虑。

• 这么做是一个很危险的行为，最主要的是数据一致性问题。缓存是为了提高效率而设计的，体现为数据发生改变时并不立即写入内存，而是在cache发生替换时才写入。若系统崩溃或者意外断电，缓存中的数据可能会丢失，而设备上的数据却没有被更新，导致数据不一致。
• 从更新策略的角度来说
  • 若是写透策略（Write-through）：每次对缓存的写操作都会同时更新主存（或者设备）。这确保了主存和缓存中的数据是一致的，是安全的，但是会增加写操作的延迟
  • 若是写回策略（Write-back）：只有在缓存中的数据被替换时才将其写回主存（或者设备）。这样做虽然可以减少写操作引起的主存访问，提高性能，但会导致缓存中的数据和主存中的数据不一致一段时间，若这段时间发生系统崩溃或者意外断电，会引发很严重的问题。
• 对于不同种类的设备的操作是有差异的
  • 串口设备：串口设备通常是实时的，数据需要立即发送到设备上，将其写入缓存而不刷新到设备可能会导致数据发送延迟或者丢失，故更倾向于直接将数据写入设备而不使用缓存。
  • IDE磁盘设备：通常会使用缓存来提高性能，因为磁盘操作通常是比较慢的。但是，对于关键性的数据，如文件系统的元数据或者数据库的事务日志，可能需要采取一些策略来确保数据的可靠性。

Thinking 5.2

查找代码中的相关定义，试回答一个磁盘块中最多能存储多少个文件控制块？一个目录下最多能有多少个文件？我们的文件系统支持的单个文件最大为多大？

• 一个文件控制块的大小FILE_STRUCT_SIZE是256B，而一个磁盘块的大小BLOCK_SIZE是4KB，故最多有16个文件控制块
• 一个文件控制块中能存下的指针个数为1K（Note中说只使用一级间接指针域），则一个目录最多有16K个文件
• user/include/fs.h中有宏定义：#define MAXFILESIZE (NINDIRECT * BLOCK_SIZE)，即单个文件最大为：1K*4KB = 4MB

Thinking 5.3

请思考，在满足磁盘块缓存的设计的前提下，我们实验使用的内核支持的最大磁盘大小是多少？

快缓存的大小DISKMAX为0x40000000，即1GB，故内核支持的最大磁盘大小也是1GB

Thinking 5.4

在本实验中，fs/serv.h、user/include/fs.h 等文件中出现了许多宏定义，试列举你认为较为重要的宏定义，同时进行解释，并描述其主要应用之处。

//serv.h
#define SECT_SIZE 512						        //一个扇区的大小，即512B，在ide_write和ide_read中使用
#define SECT2BLK (BLOCK_SIZE / SECT_SIZE)             //一个磁盘块拥有的扇区数，在write_block中调用ide_write时使用，是逻辑与物理的转化

#define DISKMAP 0x10000000                            //块缓存的起始地址，disk_addr中用到
#define DISKMAX 0x40000000                            //块缓存的最大范围

//fs.h
#define BLOCK_SIZE PAGE_SIZE				        //磁盘块大小，等于一页的大小（4KB），经常在计算一个文件的nblock时使用，同时disk_addr用到了他

#define FILE_STRUCT_SIZE 256                          //File这个结构体的大小，即256B，定义File时用到

#define NDIRECT 10                                    //f_direct的最大数量，即直接指针的最大数量，定义File时和需要遍历nblock时用到
#define NINDIRECT (BLOCK_SIZE / 4)                    //同理，间接指针域的最大数量，即1K
 
#define FILE2BLK (BLOCK_SIZE / sizeof(struct File))   //一个磁盘块拥有的文件数，一般在遍历一个磁盘块中的文件的时使用

Thinking 5.5

在 Lab4“系统调用与 fork”的实验中我们实现了极为重要的 fork 函数。那么 fork 前后的父子进程是否会共享文件描述符和定位指针呢？请在完成上述练习的基础上编写一个程序进行验证。

• 文件描述符与定位指针在[FDTABLE, FILEBASE)中，在fork执行时，这一部分会被复制到子进程的页表中，所以他们会共享。

Thinking 5.6

请解释 File, Fd, Filefd 结构体及其各个域的作用。比如各个结构体会在哪些过程中被使用，是否对应磁盘上的物理实体还是单纯的内存数据等。说明形式自定，要求简洁明了，可大致勾勒出文件系统数据结构与物理实体的对应关系与设计框架。

struct File {                   
	char f_name[MAXNAMELEN];		 // 文件名
	uint32_t f_size;	 			// 文件大小
	uint32_t f_type;	 			// 文件的类型
	uint32_t f_direct[NDIRECT];		 // 文件的直接指针
	uint32_t f_indirect;			// 文件的间接指针
																
	struct File *f_dir; 			// 文件的目录
	char f_pad[FILE_STRUCT_SIZE - MAXNAMELEN - (3 + NDIRECT) * 4 - sizeof(void *)];  // 文件补齐256B
}; 

struct Fd {
	u_int fd_dev_id;  				// 文件描述符的设备id，用于确定该文件属于的设备
	u_int fd_offset;				// 文件描述符的使用偏移，用于read，write，seek等操作的定位
	u_int fd_omode;					// 用于确定打开方式
};

struct Filefd {
	struct Fd f_fd;					// 利于强制类型转换涵盖Fd
	u_int f_fileid;					// 文件服务系统中标识文件的fileid
	struct File f_file;				// fileid对应的文件的具体内容
};

• File是对应了物理实体中恰恰好好的256B，在磁盘块中，File是文件服务系统操作文件的基本单位，可以通过File来遍历他的所有指针指向的内容，可以遍历目录中的文件或者文件存储的内容
• Fd是文件标识符，它的作用是方便用户态来使用操作文件，所以他是内存数据，Fd也用在Fsipc时作为信息传递的载体
• Filefd是Fd的拓展，是构建起Fsipc的桥梁，在文件服务系统进程中将File打包成Filefd返回给用户进程，用户进程可以选择拓展Fd为Filefd来获取f_fileid或者f_file，也可以只操作f_fd，在我看来它既包括物理实体又包括内存数据