• A（周屹枫）：在前面的实验基础上完成Lab9的主要功能实现，包括文件系统的扩展、设备文件操作、目录管理、文件操作逻辑的完善，以及本 README 的撰写。
• B（严之皓）：在周屹枫的第一版代码上修复了一些bug，比如内核栈溢出、设备驱动的同步错误以及死锁等。目前系统能够正常启动并进入用户态 Shell。

本实验任务是对整个操作系统进行全系统整合，重点包括文件系统的管理与操作，设备文件操作，目录与路径管理等功能的实现和完善。具体任务包括：

1. 文件系统模块：

   • 增强设备文件操作逻辑，支持设备的初始化、读写等功能。
   • 完善目录与路径管理，支持目录项的查找、添加和删除操作。
   • 增加文件的读写、打开、关闭操作逻辑，支持文件的基本操作。

2. 进程管理模块：

   • 增加进程的文件表和当前工作目录字段，支持进程在执行过程中的文件操作和路径管理。

3. 系统调用扩展：

   • 添加新的系统调用，用于支持文件和目录操作。

在 device.c 中实现了设备文件操作逻辑，主要包括：

• 标准输入设备、标准输出设备 和 标准错误设备 的初始化和操作。
• /dev/zero 设备文件的支持，能够返回无限的零字节流。

// 标准输入设备读取操作
static uint32 device_stdin_read(uint32 len, uint64 dst, bool is_user_dst) {
    return cons_read(len, dst, is_user_dst);  // 从控制台读取数据
}

解释：device_stdin_read 函数用于从标准输入设备读取数据，并通过 cons_read 函数将数据传输到用户空间。此函数为设备文件提供了标准输入的读操作。

在 dentry.c 中，增加了目录项的操作：

• dentry_search：在目录中查找指定名字的目录项。
• dentry_add：向目录中添加新的目录项。
• dentry_remove：从目录中删除指定的目录项。

// 在目录ip中查找是否存在名字为name的目录项
uint32 dentry_search(inode_t *ip, char *name) {
    assert(sleep_locked(ip->slk), "dentry_search: must hold lock");
    for (uint32 i = 0; i < ip->size / sizeof(dentry_t); i++) {
        dentry_t *entry = (dentry_t *)(ip->data + i * sizeof(dentry_t));
        if (strcmp(entry->name, name) == 0) {
            return entry->inode_num;
        }
    }
    return INVALID_INODE_NUM;
}

解释：dentry_search 函数用于在指定目录中查找名为 name 的目录项，并返回对应的 inode 编号。如果目录项未找到，则返回 INVALID_INODE_NUM。该函数在查找时使用锁机制，确保并发访问时的安全。

在 fs.c 中，实现了文件的读写、打开和关闭操作：

• file_read 和 file_write：支持文件的读写操作。
• file_open 和 file_close：支持文件的打开和关闭，管理文件表。

// 文件读操作
uint32 file_read(file_t *file, uint32 len, uint64 dst, bool is_user_dst) {
    assert(file != NULL, "file_read: file cannot be NULL");
    if (file->ip->type == INODE_TYPE_DATA) {
        return inode_read(file->ip, dst, len);
    }
    return 0;  // 如果是目录文件，返回错误
}

解释：file_read 函数用于读取文件的数据。如果文件是数据文件（INODE_TYPE_DATA），则从 inode 中读取内容并将其传输到用户空间。如果是目录文件，则返回 0，表示不能读取目录内容。

在 syscall.c 和 sysfunc.c 中添加了新的系统调用，用于支持文件和目录操作：

• sys_helloworld：一个简单的系统调用，打印 "hello world" 信息，用于测试系统调用机制。

// 新的系统调用: 打印 "hello world"
uint64 sys_helloworld(void) {
    printf("hello world!
");
    return 0;
}

解释：sys_helloworld 是一个新增的系统调用，用于向控制台打印 "hello world" 信息。该函数通过 printf 实现输出，并返回 0 表示成功。

在 proc.c 中，增加了进程的文件表和当前工作目录字段：

• proc_init：初始化进程时，设置文件表和工作目录。
• proc_set_cwd：设置进程的当前工作目录。
• proc_free：销毁进程时清理文件表和工作目录。

// 初始化进程的 open_file 和 cwd 字段
void proc_init(proc_t *p) {
    for (int i = 0; i < N_FILE; i++) {
        p->open_file[i] = NULL;  // 设置所有文件指针为 NULL
    }
    p->cwd = root_inode();      // 设置 cwd 为根目录的 inode
}

解释：proc_init 函数初始化每个进程的文件表，并将进程的工作目录（cwd）设置为根目录的 inode。这样可以确保每个进程在初始化时都具有正确的文件系统状态。

在 pmem.c 中，添加了 pmem_stat 函数，统计当前的可用内存页面数量：

void pmem_stat(uint32 *free_pages_in_kernel, uint32 *free_pages_in_user) {
    *free_pages_in_kernel = 0;
    *free_pages_in_user = 0;

    // Count free pages in kernel region
    page_node_t *node = kern_region.list_head.next;
    while (node != NULL) {
        (*free_pages_in_kernel)++;
        node = node->next;
    }

    // Count free pages in user region
    node = user_region.list_head.next;
    while (node != NULL) {
        (*free_pages_in_user)++;
        node = node->next;
    }
}

解释：pmem_stat 函数通过遍历内核和用户空间的空闲页链表，计算内核空间和用户空间的剩余可用页面数。

在 uvm.c 中，修改了 uvm_heap_grow 函数，支持 flag 输入参数，控制内存增长时的权限设置：

uint64 uvm_heap_grow(pgtbl_t pgtbl, uint64 new_size, uint64 old_size, uint32 flags) {
    uint64 new_pages = (new_size - old_size) / PGSIZE;
    uint64 new_page;

    for (uint64 i = 0; i < new_pages; i++) {
        new_page = pmem_alloc(true);  // 请求分配新的物理页面

        if (flags & FLAG_READ_ONLY) {
            set_page_read_only(new_page);
        } else if (flags & FLAG_WRITE_ONLY) {
            set_page_write_only(new_page);
        }

        vm_mappages(pgtbl, old_size + i * PGSIZE, new_page, PGSIZE, PTE_W | PTE_U);
    }
    return new_size;
}

解释：uvm_heap_grow 函数根据 flag 设置内存页面的访问权限（如只读或只写），并将新分配的物理页面映射到用户空间的堆中。

本实验基于 Lab8 的内核框架，扩展了文件系统和设备操作功能，并在 QEMU 虚拟机中运行。

编译与运行方式：

make clean && make run

成功后将启动 QEMU，内核启动完成后自动进入用户态 initcode，并根据测试程序输出对应信息。

在调试阶段，为了验证文件操作、中断与设备行为，内核中加入了若干调试输出（如 sb_print()、buffer_print_info() 等）。

• device.c：实现设备文件操作逻辑，包括设备初始化、读取和写入操作。
• dentry.c：实现目录项的查找、增加、删除操作，支持路径管理。
• fs.c：实现文件的基本操作，包括读写、打开、关闭等。

• syscall.c：注册新的系统调用，并处理系统调用请求。
• sysfunc.c：实现新的系统调用功能，如 sys_helloworld。

• proc.c：为每个进程增加文件表 (open_file) 和当前工作目录 (cwd) 字段，并实现相关操作。

以下是各项功能的验证结果。

程序成功解析了通过 exec 传递的参数 "111", "222", "333"，并能通过 cons_read 获取并回显用户输入。

验证了 sys_get_dentries 的正确性，能够列出根目录下的所有文件（., .., dev, test_1 等），并正确读取了数据文件。

验证了 sys_chdir 对 p->cwd 的修改，以及相对路径解析逻辑的正确性（支持多级目录跳转）。

成功识别 /dev 目录下的特殊设备文件（stdin, stdout, zero, null 等），证明设备文件系统（devfs）挂载正确。

本实验通过在原有操作系统内核的基础上扩展文件系统、设备操作、目录管理等功能，完成了一个简单的文件管理系统。通过实现文件的基本操作、目录项管理、进程文件表和当前工作目录等模块，增强了操作系统的功能，使其更接近于一个完整的操作系统。通过这个实验，深入理解了操作系统的文件管理机制以及系统调用的实现。