模拟文件系统（操作系统大作业）

前言

​ 在操作系统课程中，期末结束大作业是从一下几个方向选一个题目去做大作业（也可自选自拟类似题目，不仅限于以下所列）

  • 使用Linux多线程模型，设计并实现多线程的任务协作应用，并验证；
  • 分析死锁模型，设计实现不同的死锁检测和银行家算法；
  • 设计实现Linux下的多进程应用，并设计、对比和验证Linux下局部和全局页面置换算法的差异；
  • 设计实现一个模拟的文件系统，并对其进行基本功能的验证；
  • 设计实现不同的磁盘臂调度算法，并设计实现Linux下的驱动程序加以验证；

​ 最终我选择的是【设计实现一个模拟的文件系统，并对其进行基本功能的验证】，一下内容都是根据这个题目所完成！

1 设计目标

​ 本项目的目标是设计并实现一个简单的模拟文件系统，支持常见的文件与目录操作，包括创建、删除、读取文件，以及切换、列出目录内容等操作，通过编程实现文件系统的基本管理功能，培养对操作系统课程中的文件系统工作机制的理解。

2 功能描述

2.1 操作命令

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查看当前目录： 	ls <目录名>
改变目录：		   cd <目录名>
创建文件：			 touch <文件名>
创建目录：			 mkdir <目录名>
写入文件：			 write <文件名> <内容>
读取文件：			 read <文件名>
删除文件：			 rmfile <文件名>
删除目录：		 	 rmdir <目录名>
查看当前路径： 	pwd
显示目录内容：	  ls <目录名>
重命名文件：	   rename <文件名>
退出文件系统： 	exit system

2.2 交互界面

​ 提供直观的命令提示和操作反馈，包括错误提示、成功提示等，输出风格友好、美观。

2.3 文件结构

​ 通过内存中的对象来模拟文件系统，支持文件和目录的基本操作。

3 总体设计

3.1 模块划分

  • 输出模块：用于处理不同类型的输出（如信息、错误、提示等）。
  • 文件与目录模块：定义 File 和 Directory 类，用于管理文件内容和目录结构。
  • 文件系统模块：实现文件系统的整体逻辑，包括路径管理、命令解析和操作调用。
  • 主交互模块：用户输入解析和系统命令调用。

3.2 系统流程

  • 用户输入命令，系统根据输入解析出操作类型及参数。
  • 调用文件系统模块执行相应操作，并输出结果。
  • 支持多层次目录结构，能动态创建、删除文件及文件夹。

4 详细设计

4.1 功能模块设计

4.1.1 文件类 (File)

属性：文件名、内容。

方法：

  • 写入内容：write(content)
  • 读取内容：read()

4.1.2 目录类 (Directory)

属性：目录名、父目录、子目录列表、文件列表。

方法：

  • 创建文件/目录。
  • 删除文件/目录。
  • 列出目录内容。
  • 修改文件名。
  • 写入/读取文件。

4.1.3 文件系统类 (FileSystem)

属性：根目录、当前目录。

方法：

  • 切换目录：cd(name)
  • 显示目录内容：ls(name)
  • 创建文件/目录：touch(name)、mkdir(name)
  • 写入/读取文件：write(name, content)、read(name)
  • 删除文件/目录：rmfile(name)、rmdir(name)
  • 查看当前路径：pwd()
  • 重命名文件：rename(oldname, new name)

4.1.4 输出类 (Output)

提供不同风格的输出方法：

  • 错误输出（红色）：error(output)
  • 信息输出（绿色）：info(output)
  • 提示输出（蓝色）：hint(output)

4.2 系统交互流程图

image-20241206164544890

5 实现

5.1 编译截图

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5.2 运行截图

5.2.1 启动界面

img 5.2.2 创建文件

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5.2.3 创建目录

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5.2.4 写入文件

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5.2.5 读取文件

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5.2.6 删除文件

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5.2.7 删除目录

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5.2.8 改变目录

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img 5.2.9 当前目录

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5.2.10 当前路径

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5.2.11 重命名文件

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5.2.12 退出系统

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5.2.13 命令错误

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6 代码附件

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# 开始页面
BANNER = """
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                  欢迎来到模拟文件系统！
============================================================
功能如下：
查看当前目录：       ls
改变目录格式：       cd <目录名>
创建文件格式：       touch <文件名>
创建目录格式：       mkdir <目录名>
写入文件格式：       write <文件名> <内容>
读取文件格式：       read <文件名>
删除文件格式：       rmfile <文件名>
删除目录格式：       rmdir <目录名>
查看当前路径格式：    pwd
重命名文件格式：     rename <文件名>
退出文件系统：       exit system
------------------------------------------------------------
"""

# 输出类
class Output:
    def __init__(self, output):
        pass

    # 错误输出 红色
    @staticmethod
    def error(output):
        print(f"\033[31m{output}\033[0m")

    # 信息输出 绿色
    @staticmethod
    def info(output):
        print(f"\033[36m{output}\033[0m")

    # 提示输出 蓝色
    @staticmethod
    def hint(output):
        print(f"\033[34m{output}\033[0m")

    # 警告输出 黄色
    @staticmethod
    def warn(output):
        print(f"\033[33m{output}\033[0m")

    # 功能介绍 淡紫色
    @staticmethod
    def func(output):
        print(f"\033[35m{output}\033[0m")

# 文件类
class File:
    def __init__(self, name, content=""):
        self.name = name
        self.content = content

    def write(self, content):
        self.content = content

    def read(self):
        return self.content

# 目录类
class Directory:
    def __init__(self, name, parent):
        self.name = name
        self.parent = parent
        self.subdirs = {}
        self.files = {}

    # 创建文件
    def create_file(self, name, content=""):
        if name not in self.files:
            self.files[name] = File(name, content)
            Output.info(f"文件“{name}”创建成功！")
        else:
            Output.error(f"错误：文件“{name}”已经存在！")

    # 创建文件夹
    def create_subdir(self, name, parent):
        if name not in self.subdirs:
            self.subdirs[name] = Directory(name, parent)
            Output.info(f"文件夹“{name}”创建成功！")
        else:
            Output.error(f"错误：文件夹“{name}”已经存在！")

    # 删除文件
    def delete_file(self, name):
        if name in self.files:
            self.files.pop(name)
            Output.info(f"文件“{name}”删除成功！")
        else:
            Output.error(f"错误：文件“{name}”不存在！")

    # 删除文件夹
    def delete_subdir(self, name):
        if name in self.subdirs:
            self.subdirs.pop(name)
            Output.info(f"文件夹“{name}”删除成功！")
        else:
            Output.error(f"错误：文件夹“{name}”不存在！")

    # 列出文件
    def list_contents(self):
        Output.warn(f"文件夹“{self.name}”所包含内容如下：")
        for subdir in self.subdirs:
            Output.info(f"[DIR] {subdir}")
        for file in self.files:
            Output.info(f"[FILE] {file}")

    # 修改文件名
    def rename_file(self, old_name, new_name):
        if old_name in self.files:
            self.files[new_name] = self.files.pop(old_name)
            # self.files[new_name] = self.files[old_name]
            # self.files.pop(old_name)
            self.files[new_name].name = new_name
            Output.info(f"文件名修改成功！{old_name} -> {new_name}")
        else:
            Output.error(f"错误：文件“{old_name}”不存在！")

    # 写入文件
    def write_file(self, name, content):
        if name not in self.files:
            self.files[name] = File(name, content)
            Output.warn(f"文件“{name}”创建成功，并且已写入文件！")
        else:
            self.files[name].write(content)
            Output.info(f"文件“{name}”写入成功！")

    # 读取文件
    def read_file(self, name):
        if name not in self.files:
            Output.error(f"错误：文件“{name}”不存在！")
        elif self.files[name].content == "":
            Output.warn(f"提示：文件“{name}”为空！")
        else:
            Output.warn(f"文件“{name}”内容如下：")
            Output.info(self.files[name].read())


# 文件系统类
class FileSystem:
    def __init__(self):
        self.root = Directory("~", parent=None)
        self.current = self.root

    # 切换目录
    def cd(self, name):
        if name == "..":
            if not self.current.parent:
                Output.error(f"错误：当前已在根目录，无法向上切换目录！")
            else:
                self.current = self.current.parent
                Output.info(f"目录切换成功，当前目录为：{self.current.name}")
        elif name in self.current.subdirs:
            self.current = self.current.subdirs[name]
            Output.warn(f"目录切换成功，当前目录为：{self.current.name}")
        else:
            Output.error(f"错误：未找到目录“{name}”，请检查目录名是否正确！")

    # 查看文件夹
    def ls(self, name):
        if not name:
            self.current.list_contents()
        # elif name in self.current.subdirsmk:
        #     self.current = self.current.files[name]
        #     self.current.list_contents()
        #     self.cd("..")
        else:
            Output.warn(f"错误：命令错误，请重试mkdi！")

    # 创建文件
    def touch(self, name):
        self.current.create_file(name)

    # 创建文件
    def mkdir(self, name):
        self.current.create_subdir(name, self.current)

    # 写入文件
    def write(self, name, content):
        self.current.write_file(name, content)

    # 读取文件
    def read(self, name):
        self.current.read_file(name)

    # 查看当前路径
    # def pwd(self):
    #     temp = self
    #     pwd_path = temp.current.name
    #     temp.current = temp.current.parent
    #     while temp.current.parent:
    #         pwd_path = temp.current.name + "/" + pwd_path
    #         temp.current = temp.current.parent
    #     print(f"当前路径为：{pwd_path}")

    # 查看当前路径
    def pwd(self):
        current = self.current  # 获取当前目录
        path_parts = []

        # 从当前目录向上追溯直到根目录
        while current is not None:
            path_parts.insert(0, current.name)  # 将当前目录名称添加到路径部分
            current = getattr(current, "parent", None)  # 获取父目录，若不存在则为 None

        # 拼接路径并输出
        pwd_path = "/".join(path_parts)
        Output.warn(f"当前路径为：/{pwd_path}")

    # 删除文件
    def rmfile(self, name):
        self.current.delete_file(name)

    # 删除文件夹
    def rmdir(self, name):
        self.current.delete_subdir(name)

    # 修改文件名
    def rename(self, old_name, new_name):
        self.current.rename_file(old_name, new_name)

def main():
    Output.func(BANNER)

    fs = FileSystem()
    while True:
        user_input = input("\033[34m请输入文件操作命令：\033[0m")
        if user_input == "exit system":
            Output.error("再见！退出模拟文件系统。")
            break
        # elif "ls" in user_input:e
        #     if " " in user_input:
        #         user_order, user_param = user_input.split(" ")
        #     user_order, user_param = user_input, ""
        # elif "write" in user_input:
        #     user_order, user_param, user_content = user_input.split(" ")
        # elif "pwd" in user_input:
        #     user_order, user_param = user_input, ""
        # else:
        #     try:
        #         user_order, user_param = user_input.split(" ")
        #     except ValueError:
        #         Output.error("错误：命令或参数残缺！")

        try:
            # 根据不同命令类型解析参数
            if user_input.startswith("write") or user_input.startswith("rename"):
                parts = user_input.split(" ", 2)
                if len(parts) == 3:
                    user_order, user_param, user_content = parts
                else:
                    Output.error("错误：命令参数不足！")
                    continue
            elif " " in user_input:
                user_order, user_param = user_input.split(" ", 1)
            else:
                user_order = user_input.strip()
                user_param = ""
            # 查看文件目录
            if user_order == "ls":
                fs.ls(user_param)
            # 切换文件目录
            elif user_order == "cd":
                fs.cd(user_param)
            # 创建文件夹
            elif user_order == "mkdir":
                fs.mkdir(user_param)
            # 创建文件
            elif user_order == "touch":
                fs.touch(user_param)
            # 写入文件
            elif user_order == "write":
                fs.write(user_param, user_content)
            # 读取文件
            elif user_order == "read":
                fs.read(user_param)
            # 查看路径
            elif user_order == "pwd":
                fs.pwd()
            # 删除文件
            elif user_order == "rmfile":
                fs.rmfile(user_param)
            # 删除文件夹
            elif user_order == "rmdir":
                fs.rmdir(user_param)
            # 修改文件名
            elif user_order == "rename":
                fs.rename(user_param, user_content)
            else:
                Output.error("错误：无效的命令或参数，请重试！")
        except ValueError as ve:
            Output.error(f"命令解析错误：{ve}")
        except Exception as e:
            Output.errorsl(f"系统错误：{e}")


if __name__ == '__main__':
    main()