基于C#实现的文件管理系统

Gypsophila

发布日期: 2019-04-08 15:13:27 浏览量: 2250
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一、项目背景

  • 在内存中开辟一个空间作为文件存储器(虚拟磁盘),在其上实现一个简单的文件管理系统

  • 退出这个文件系统时,应将文件系统的内容保存在磁盘上,下次将其恢复到内存中

  • 文件目录采用多级目录结构

二、开发/运行环境

  • 开发环境:Windows10 Pro 1803

  • 开发语言:C# 6.0/ .net Framework 4.7.03056

  • 开发工具:Microsoft Visual Studio Community 2017

三、数据结构:块组

由于模拟的磁盘较为简单,所以这里采用单块组,取消了逻辑扇区的数据结构。事实上,这一个块组对象就等价于一个虚拟磁盘。我使用了ext2的设计思想,并做了必要的简化,在细节上与真实的ext2文件系统有所不同。

3.1 卷大小

由于简化了操作,将单个块组等价于磁盘,所以将磁盘的容量记录在块组里面。同时这是一个不太严格的说法,这里的卷大小实际上是所有数据块的尺寸之和。

3.2 超级块

用于描述文件系统的整体信息

  • inode数量

  • 空闲inode数量

3.3 组描述符表

记录所有的组描述符。

组描述符

记录块组中各个描述性质的数据结构的位置,这里用来记录数据块和inode的使用情况。

块位图

描述本块组中数据块的使用情况,是一个位向量,1表示数据块已被占用,0表示数据块未被占用。

inode位图

描述inode表中inode的使用情况,1表示已被使用,0表示未被使用。

3.4 数据块表

记录块组中所有的数据块。

数据块data

一个字符型数组,用于存储各种数据,数组大小为2048,实际占用4096字节,因为C#中字符为Unicode编码,每个字符占据2个字节。

3.5 inode表

记录块组中所有的inode,数量由超级块给出。

inode

表示文件系统树型结构节点:

  • 文件类型

  • 文件大小

  • 文件名

  • 文件创建时间

  • 文件修改时间

  • 文件占用数据块数量

  • 占用的数据块索引

  • 包含的子文件的inode索引

  • 包含的子文件的数量

  • 父目录的inode索引

注意,这里的子文件均指第一级子文件,即树型结构中的儿子。

3.6 当前目录索引

用于记录用户当前所处的目录的inode索引。由于这是一个单用户系统,所以将这个信息保存在了块组对象中,便于编程实现。

磁盘映像也是按照这个顺序写入的,保存在与可执行文件同一目录下,名为disk.img,请务必不要随意修改这个文件,否则会导致文件系统读取错误

四、GUI设计及使用说明

整个文件管理系统包含四个窗口:

  • 主窗口:展示当前目录下的文件和子目录列表,以及各种操作对应的按钮

  • 输入窗口:用于输入文件或子目录的名称

  • 文件查看和编辑窗口:用于进行文件查看和编辑

  • 文件详情窗口:用于查看文件各项详细信息

其中,主窗体负责调用其它三个窗体,窗体之间通过委托和事件进行信息传递。

4.1 GUI说明

4.1.1 主窗口

其中,蓝色标识的文件是目录文件,黑色标识的是普通文件,红色标识的是未知文件。未知文件一般不会出现,除非磁盘映像损坏造成错误。我们可以尝试一下:

重新运行文件管理系统,可以看到:

目录文件斗破苍穹已被损坏,成为了未知文件。保存此时的磁盘映像,可以看到:

文件类型已经发生了改变。

4.1.2 输入窗口

这个窗口主要用于进行命名操作,以及在格式化时输入磁盘大小。

重命名

点击确定或按下回车键,文件名变为:image

新建文件

也可以尝试新建目录和文件,并为它们命名:

格式化

在进行格式化时,务必注意输入的数字符合要求,否则无法进行格式化:

磁盘空间大小必须为大于0小于等于100的整数。

4.1.3 文件查看和编辑窗口

首先,只有普通类型的文件可以被“打开”,目录文件和未知文件无法执行“打开”操作。

“打开”文件分为两种类型:只读和读写模式。只读模式下,用户将无法对文件内容进行编辑,而读写模式下则可以。

双击文件或按下回车键采用的是只读模式打开,编辑文件需要点击写文件按钮或按下W键。

只读模式

用户无法编辑文件内容,确认按钮也没有被激活。

读写模式

用户可以对文件进行编辑,编辑之后可以点击确认按钮或同时按下Control+S键保存修改的内容,也可以点击取消按钮或者右上角的叉号或者按下Esc键放弃更改。

4.1.4 文件详情窗口

当用户选中一个文件时,按下空格键可以查看其详细信息。操作时应当注意,当窗口焦点位于某一按钮时,即使文件看起来被选中了,此时按下空格键也无法看到文件详情。

普通文件详情

目录文件详情

当然,目录文件详情中的文件大小是指目录文件本身的大小,不包含目录文件的子文件。

在详情界面,再次按下空格键即可关闭详情页。

4.2 使用说明

主界面操作 效果
双击普通文件 以只读模式打开文件
双击目录 进入该目录
按F键 格式化磁盘
按N键 新建普通文件
选中普通文件,按回车键 以只读模式打开文件
选中普通文件,按W键 以读写模式打开文件
按退格键(Backspace) 返回上一级目录
选中目录,按回车键 进入该目录
按D键 创建目录
选中文件,按删除键(Delete) 删除文件
选中文件,按R键 重命名
按Control+W键 退出系统,保存映像
选中文件,按空格键 查看文件详情
文件编辑页面操作 效果
按退出键(Esc) 关闭窗口,不保存修改
按Control+S键 关闭窗口,保存修改

注:只读模式打开的文件无法使用Control+S按键关闭窗口

文件详情页面操作 效果
按空格键 关闭详情页面
输入窗口页面操作 效果
按退出键(Esc) 关闭窗口,输入不生效
按回车键(Enter) 关闭窗口,输入生效

五、设计细节

5.1 系统架构

在我的理解中,文件管理系统的作用是:向下管理磁盘和文件,向上提供服务。基于此,我设计了如下架构:

其中,蓝色部分为用户界面,是用户直接看到的图形化界面;绿色部分为文件管理系统向上对用户提供的功能,它们在用户界面中表现为一个个的按钮和鼠标键盘事件;黄色部分是文件管理系统向下对文件和磁盘进行管理的函数;灰色部分是虚拟磁盘,即管理的对象,文件也储存在这里面;红色部分处于真实的磁盘中,用于保存虚拟磁盘和文件管理系统的映像。

在这个结构中,用户一般是无法直接对虚拟磁盘进行操作的,除了格式化操作和退出系统操作(需要覆写原有磁盘映像)。这一方面简化了用户的操作,一方面提供了安全性保障,防止用户直接操作黄色部分函数,而损坏管理系统。

5.2 读取磁盘映像

当运行文件管理系统时,系统会进行初始化,尝试读取disk.img文件。如果文件不存在,会进入如下界面:

若此时不进行格式化,那么主界面上除了关闭系统按钮可以操作,其它功能都无法使用。

如果磁盘映像读取成功,文件管理系统便会根据映像中的内容恢复磁盘结构和文件内容。磁盘映像并不是将磁盘中所有的内容都包含在内,它只包含了被占用的部分。

5.3 删除文件

对于文件的删除分为2种:删除目录文件和非目录文件。

删除目录文件时,必须递归地删除目录文件中所有的子文件,这里的子文件指目录文件下所有文件,即树型结构中的所有子孙。删除时,系统会根据inode中子文件的inode索引执行深度优先遍历,自底向上删除目录文件的所有子孙,最终删除目录文件本身。即:对于目录文件A,它包含两个文件B和C,那么当用户删除A时,系统首先删除B和C,再删除A;在删除B和C的过程中,如果B或C也是目录文件,那么就要以相同的方式删除B或C。

删除普通文件的过程比较简单,直接删除即可。

具体的删除过程会将inode位图的数据块位图中的相应信息置为true,即未占用;同时为了数据安全,这些inode和数据块中的信息都会被抹去,用0元素覆盖。

我在代码中留下了测试删除顺序的方法,具体位置位于deleteFile(String fileName)函数中:

  1. foreach (var index in deleteInode.dataBlockList) groupDescriptorList[0].blockBitmap[index] = true; // 释放占用的数据块
  2. groupDescriptorList[0].inodeBitmap[deleteFileIndex] = true; // 释放占用的inode块 //MessageBox.Show(inodeList[deleteFileIndex].fileName, "", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error); // 检查删除顺序
  3. inodeList[currentInodeIndex].childInodeIndex.Remove(deleteFileIndex);
  4. // 抹去inode信息和数据块内容
  5. deleteInode.blockSize = 0;

将注释为检查删除顺序一行开头的注释符去掉,重新编译运行,执行删除操作即可观察到删除顺序。

5.4 Inode块和数据块分配

5.4.1 Inode块分配

当新建文件时,文件系统会从空闲的Inode块中选出一个分配给这个新文件,挑选过程使用Inode位图顺序检查每个Inode块是否已被分配,找到第一个空闲的Inode块后停止检查。如果所有的Inode块都已被占用,那么会返回错误。

  1. int indexOfInode = -1;
  2. foreach(KeyValuePair<int, bool> kvp in groupDescriptorList[0].inodeBitmap)
  3. {
  4. if(kvp.Value == true)
  5. {
  6. indexOfInode = kvp.Key;
  7. break;
  8. }
  9. }
  10. if (indexOfInode == -1)
  11. return false;
  12. groupDescriptorList[0].inodeBitmap[indexOfInode] = false;
  13. Inode inode = inodeList[indexOfInode];

最后一行代码中取出的inode将被写入各种信息,最终写回到Inode列表中。Inode位图中的信息也应得到更新,这个inode对应的位图标志被置为false。

5.4.2 数据块分配

文件创建之初是不会被分配数据块的,直到文件被写入了信息,才会被分配数据块。在这其中,对目录文件和普通文件的写入还有所不同。由于我规定文件名称不得超过100个字符,所以对于目录文件的一次写入最多会额外申请一个数据块;而普通文件的写入没有限制(C#本身的文本框字符上限为32768个,这是一个上限),所以可能会申请多个数据块。

当然,对数据块的申请过程都是一致的:

  1. int indexOfBlock = -1;
  2. foreach (KeyValuePair<int, bool> kvp in groupDescriptorList[0].blockBitmap) // 找到一个空闲数据块
  3. {
  4. if (kvp.Value == true)
  5. {
  6. indexOfBlock = kvp.Key;
  7. break;
  8. }
  9. }
  10. if (indexOfBlock == -1) // 没有足够的数据块
  11. {
  12. updateInodeInfo(ref inode);
  13. inodeList[commonIndex] = inode;
  14. return false;
  15. }
  16. groupDescriptorList[0].blockBitmap[indexOfBlock] = false;
  17. DataBlock dataBlock = dataBlockList[indexOfBlock];

文件系统通过检查数据块位图取出相应的数据块,将位图中对应的信息置为false,在数据块被更新完毕后将其写回。

5.4.3 Inode块和数据块回收

当文件被删除或内容被删减时,它占用的inode块和数据块可能会变得“空闲”,这时文件管理系统就必须将空闲的块进行回收,抹掉块中的内容,更新块位图中的信息。

删除文件时,会触发释放inode事件和数据块事件:

  1. foreach (var index in deleteInode.dataBlockList)
  2. groupDescriptorList[0].blockBitmap[index] = true; // 释放占用的数据块
  3. groupDescriptorList[0].inodeBitmap[deleteFileIndex] = true; // 释放占用的inode块
  4. //MessageBox.Show(inodeList[deleteFileIndex].fileName, "", MessageBoxButtons.OK, MessageBoxIcon.Error); // 检查删除顺序
  5. inodeList[currentInodeIndex].childInodeIndex.Remove(deleteFileIndex);
  6. // 抹去inode信息和数据块内容
  7. deleteInode.blockSize = 0;
  8. foreach(var index in deleteInode.dataBlockList)
  9. {
  10. DataBlock dataBlock = dataBlockList[index];
  11. for (int i = 0; i < BLOCKSIZE / 2; i++)
  12. dataBlock.data[i] = '\0';
  13. dataBlockList[index] = dataBlock;
  14. }
  15. deleteInode.dataBlockList.Clear();
  16. deleteInode.fatherIndex = -1;
  17. deleteInode.fileSize = 0;
  18. superBlock.freeInodeNum++;
  19. inodeList[deleteFileIndex] = deleteInode; // 写回
  20. Inode fatherInode = inodeList[tempCurrentInodeIndex];
  21. fatherInode.childrenNum--;
  22. inodeList[tempCurrentInodeIndex] = fatherInode; // 写回
  23. writeDirectoryFileToDisk(tempCurrentInodeIndex);

改写文件时,只可能会触发释放数据块事件:

  1. int freeIndex = inode.dataBlockList[blockNum]; // 要释放的数据块的index
  2. groupDescriptorList[0].blockBitmap[freeIndex] = true;
  3. for (int i = 0; i < BLOCKSIZE / 2; i++)
  4. dataBlockList[freeIndex].data[i] = '\0';
  5. inode.dataBlockList.Remove(freeIndex); // 从子列表中移除

5.5 其它信息

所有的代码都有必要的注释,读者可以参考注释阅读代码。

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Gypsophila
2019-04-08 15:00:44
基于C#实现的文件管理系统
飞剑问道
2020-02-27 15:42:19
基于C#实现的文件管理系统
fakerkiller
2020-06-22 17:50:39
看起来很厉害
无方
2020-11-18 20:55:11
在做相关的学习,这个让我耳目一新,感谢分享

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