JOS

JOS不像其他操作系统一样在内核添加磁盘驱动，然后提供系统调用。我们实现一个文件系统进程来作为磁盘驱动。

1. 引入一个文件系统进程（FS进程）的特殊进程，该进程提供文件操作的接口,并被赋予io权限。（x86处理器使用EFLAGS寄存器的IOPL为来控制保护模式下代码是否能执行设备IO指令，比如in和out。）
2. 建立RPC机制，客户端进程向FS进程发送请求，FS进程真正执行文件操作，并将数据返回给客户端进程。
3. 更高级的抽象，引入文件描述符。通过文件描述符这一层抽象就可以将控制台，pipe，普通文件，统统按照文件来对待。（文件描述符和pipe实现原理）
4. 支持从磁盘加载程序并运行。

结构

superblock

依然使用超级块来记录文件系统的元数据

file

File struct用来描述文件：文件名，大小，类型，保存文件内容的block号

tips: Directories与file结构相同，只是内容是一些file

Block Cache

在FS进程的虚拟内存空间中映射一段磁盘区域。

FS进程在创建时，set特殊的缺页处理函数。

当发生缺页中断时call那个缺页处理函数，从磁盘上把数据读入物理内存。

根据FS进程内存地址空间的映射关系，FS可以很方便的通过虚拟内存找到刚读入的数据在物理内存中的位置。

The Block Bitmap

磁盘块的是否使用的bitmap

The file system interface

文件系统建立好后，还需要通过ipc来构建供用户进程操作文件的API栈，课程的图拿来用一下：

   Regular env           FS env
   +---------------+   +---------------+
   |      read     |   |   file_read   |
   |   (lib/fd.c)  |   |   (fs/fs.c)   |
...|.......|.......|...|.......^.......|...............
   |       v       |   |       |       | RPC mechanism
   |  devfile_read |   |  serve_read   |
   |  (lib/file.c) |   |  (fs/serv.c)  |
   |       |       |   |       ^       |
   |       v       |   |       |       |
   |     fsipc     |   |     serve     |
   |  (lib/file.c) |   |  (fs/serv.c)  |
   |       |       |   |       ^       |
   |       v       |   |       |       |
   |   ipc_send    |   |   ipc_recv    |
   |       |       |   |       ^       |
   +-------|-------+   +-------|-------+
           |                   |
           +-------------------+

Spawning Processes

spawn()创建一个新的进程，从文件系统加载用户程序，然后启动该进程来运行这个程序。spawn()就像UNIX中的fork()后面马上跟着exec():

1. 从文件系统打开prog程序文件
2. 调用系统调用sys_exofork()创建一个新的Env结构
3. 调用系统调用sys_env_set_trapframe()，设置新的Env结构的Trapframe字段（该字段包含寄存器信息）。
4. 根据ELF文件中program herder，将用户程序以Segment读入内存，并映射到指定的线性地址处。
5. 调用系统调用sys_env_set_status()设置新的Env结构状态为ENV_RUNNABLE。

Linux Kernel

VFS

虚拟文件系统，是一个中间层，向上给用户提供一致性的文件系统接口，向下兼容各类文件系统。

规定了通用文件模型：

结构

1. 超级块对象： 存放已安装文件系统的元数据
2. 索引节点对象（inode）：关于具体文件的一般信息，索引节点号唯一标识文件，记录文件操作函数指针。
3. 文件对象file：打开文件会在内核生成的文件对象，通过fd可以找到
4. 目录项对象dentry：存放目录项与对应文件进行链接的信息。

例子： 三个进程打开同一个文件，生成三个文件对象，其中两个进程用一个硬链接，所以使用两个目录对象，同一个文件所以使用一个inode，通过inode能找到超级块对象，然后来调用对应文件系统的方法IO，除此之外，尝试用的目录项对象还会被缓存在一个叫做目录cache里，方便下次直接取用。

索引节点对象（inode）由链表组织。

file和dentry都没有磁盘映像，属于内核结构，显然slab里有对应的结构。

对于进程查找路径上的每一个分量，都为其创建目录项对象，只是属于不同级：/var/init -> 第一级目录项对象：/ 第二级: var 第三级：init

文件描述符： 文件描述符是进程对象task_struct里的files_struct这个记录进程的文件信息的结构内的一个成员：struct file*[] fd_array的索引。也就是说, 假如我们有一个文件描述符fd, 进程通过fd要操作文件，只需要去task_struct->files_struct->fd_array[fd]处查找，看有无对应的struct file*，找到那个指向内核缓存中的文件对象的指针。然后通过file找到对应的dentry再通过dentry找到inode再通过inode找到superblock，基于superblock解析inode数据找到磁盘上真正的存储位置。 fd_array的第一二项一般是标准输入输出文件，第三项一般是标准错误文件，其他一般指向打开文件

所以进程可打开文件的数量，由这个数组限制。