第一部分——準備知識

磁碟格式化這一步驟到底做了什麼？
為了讀懂程式碼，首先先掌握幾個知識點。

memcpy函式

void *  __cdecl memcpy(_Out_writes_bytes_all_(_Size) void * _Dst, _In_reads_bytes_(_Size) const void * _Src, _In_ size_t _Size);

void *memcpy(void *memTo, const void *memFrom, size_t size)
{
　　if((memTo == NULL) || (memFrom == NULL)) //memTo和memFrom必須有效
 

         return NULL;
　　char *tempFrom = (char *)memFrom;             //儲存memFrom首地址
　　char *tempTo = (char *)memTo;                  //儲存memTo首地址      
　　while(size -- > 0)                //迴圈size次，複製memFrom的值到memTo中
       　　*tempTo++ = *tempFrom++ ;  
　　return memTo;
}

struct direct{
    char d_name[DIRSIZ];//目錄名
 

    unsigned int d_ino;//磁碟 i節點識別符號id
};
strcpy(dir_buf[0].d_name,"..");//父目錄
    dir_buf[0].d_ino = 1;
    strcpy(dir_buf[1].d_name,".");//當前目錄root
    dir_buf[1].d_ino = 1;
    strcpy(dir_buf[2].d_name,"etc");//子目錄etc目錄
    dir_buf[2].d_ino = 2;

    memcpy(disk+DATASTART, &dir_buf, 3*(DIRSIZ+4));//dir_buf中的前3個元素拷貝到磁碟資料區的第1個數據塊
 

dir_buf是一個direct結構體，目錄名是12個位元組，int是4個位元組，一共16個位元組，拷貝到char中的連續的16個元素中，char一個元素就是一個位元組。

memset函式

void *  __cdecl memset(_Out_writes_bytes_all_(_Size) void * _Dst, _In_ int _Val, _In_ size_t _Size);

memset(disk, 0x00, ((DINODEBLK+FILEBLK+2)*BLOCKSIZ));

把_Dst所指記憶體區域的前_Size個位元組設定成字元 _Val。

軟連結和硬連結

1. 格式化將分割槽分成等大小的資料塊block。
2. 使用者想要去找一個叫sb的檔案，先去找inode，從inode得知sb存在哪些資料塊。
3. 硬連結
   假設建立了sb的硬連結檔案叫做bs，bs和sb擁有相同的inode的id號，inode相同，儲存的資料塊也就相同。sb和bs相當於同一個檔案，只不過叫不同的名字。一間教室的前門和後門。如果刪除任何一個，通過另一個也能訪問儲存空間，可以理解成同一個儲存空間的不同入口。
   不能跨分割槽使用，sb和bs需要在同一個分割槽。
   不能針對目錄使用。

1. 軟連結
   假設為csb，有自己的inode和資料塊，使用者訪問csb，先找到csb自己的inode結點，然後找到自己的資料塊，在找到原檔案的inode,再找到原檔案的資料塊。
   修改原檔案，軟連結也變，因為原始資料塊變了。
   修改軟連結，最終也是修改原檔案的資料塊，原檔案也被修改了。
   刪除原檔案，軟連結不能打開了。
   刪除原檔案，硬連結還可以開啟。
   

第二部分——程式碼解讀

inode解讀

目錄項=檔名+磁碟結點標號

檔案系統儲存結構

格式化是要將磁碟分成等大小的資料塊，確定inode的數量和資料塊的數量，並做一些初始的寫入工作，比如建立根目錄和一些必要的目錄等等。

    ls -i 檢視檔案的inode結點

0. 整個磁碟被劃分為等大小的塊，稱為物理塊，引導塊佔第0個物理塊，超級塊佔用第1個物理塊，inode結點表佔用接下來的物理塊，資料塊佔用剩下的物理塊。這裡要注意一點，inode結點表是由多個inode結點組成的，inode大小一般小於一個物理塊的大小，因此一個物理塊可能存放多個inode結點。
1. 一個inode對應一個檔案。inode存放的是檔案資訊，不是檔案內容，資料塊存放檔案內容。 Linux一切皆檔案，目錄和裝置都是檔案。當檔案是目錄時，檔案內容就是目錄下的檔案的資訊，當檔案是資料檔案時，檔案內容就是資料。
2.inode中不包含檔案的名字，當用戶要查詢一個檔案時，通過檔名
先查詢目錄項，找到檔案資訊所在的inode結點，在inode中找到檔案的物理塊號。
3. 一個inode可以儲存多個物理塊號（資料塊號），因為一個檔案可能存放在多個物理塊。
4. 磁碟inode和記憶體inode
磁碟inode在檔案建立時就已經建立，存放在磁碟上，記憶體inode 在檔案被開啟時才建立，存放在記憶體中。

format.cpp——格式化

//初始化硬碟
    memset(disk, 0x00, ((DINODEBLK+FILEBLK+2)*BLOCKSIZ));//disk陣列初始化，全為0
    /* 0.initialize the passwd */
    passwd[0].p_uid = 2116;//0使用者uid=2116
    passwd[0].p_gid = 03;//0使用者所屬組gid=03
    strcpy(passwd[0].password, "dddd");//0使用者密碼為dddd

    passwd[1].p_uid = 2117;//1使用者uid=2117
    passwd[1].p_gid = 03;//1使用者所屬組gid=03
    strcpy(passwd[1].password, "bbbb");//1使用者密碼為bbbb

    passwd[2].p_uid = 2118;//2使用者uid
    passwd[2].p_gid = 04;//2使用者所屬組
    strcpy(passwd[2].password, "abcd"); //2使用者密碼 

    passwd[3].p_uid = 2119;//3使用者
    passwd[3].p_gid = 04;
    strcpy(passwd[3].password, "cccc");

    passwd[4].p_uid = 2120;//4使用者
    passwd[4].p_gid = 05;
    strcpy(passwd[4].password, "eeee");

    /* 1.creat the main directory and its sub dir etc and the file password */

    inode = iget(0);   /* 0 empty dinode id*/
    inode->di_number = 1;//關聯檔案數設為1         
    inode->di_mode = DIEMPTY;//許可權設為空許可權
    iput(inode);//回收inode結點

    inode = iget(1);   /* 1 main dir id*/
    inode->di_number = 1;
    inode->di_mode = DEFAULTMODE | DIDIR;
    inode->di_size = 3*(DIRSIZ + 4);
    inode->di_addr[0] = 0; /*block 0# is used by the main directory*/

    strcpy(dir_buf[0].d_name,"..");//父目錄
    dir_buf[0].d_ino = 1;//磁碟inode結點標號為1
    strcpy(dir_buf[1].d_name,".");//根目錄
    dir_buf[1].d_ino = 1;
    strcpy(dir_buf[2].d_name,"etc");//子目錄etc目錄
    dir_buf[2].d_ino = 2;

    memcpy(disk+DATASTART, &dir_buf, 3*(DIRSIZ+4));//dir_buf中的前3個元素拷貝到磁碟資料區的第1個數據塊
    iput(inode);

    inode = iget(2);  /* 2  etc dir id */
    inode->di_number = 1;
    inode->di_mode = DEFAULTMODE | DIDIR;
    inode->di_size = 3*(DIRSIZ + 4);
    inode->di_addr[0] = 1; /*block 1# is used by the etc directory*/

    strcpy(dir_buf[0].d_name,"..");
    dir_buf[0].d_ino = 1;
    strcpy(dir_buf[1].d_name,".");
    dir_buf[1].d_ino = 2;//etc
    strcpy(dir_buf[2].d_name,"password");//子目錄是password
    dir_buf[2].d_ino = 3;

    memcpy(disk+DATASTART+BLOCKSIZ*1, dir_buf, 3*(DIRSIZ+4));//dir_buf中的前3個元素拷貝到磁碟資料區的第2個數據塊
    iput(inode);

    inode = iget(3);  /* 3  password id */
    inode->di_number = 1;
    inode->di_mode = DEFAULTMODE | DIFILE;
    inode->di_size = BLOCKSIZ;
    inode->di_addr[0] = 2; /*block 2# is used by the password file*/

    for (i=5; i<PWDNUM; i++){//設定其餘使用者的屬性
        passwd[i].p_uid = 0;
        passwd[i].p_gid = 0;
        strcpy(passwd[i].password, "            ");  // 密碼為空
    }

    memcpy(pwd, passwd, 32*sizeof(struct pwd));//passwd的內容拷貝到pwd中
    memcpy(disk+DATASTART+BLOCKSIZ*2, passwd, BLOCKSIZ);//passwd的內容拷貝到disk的第3個數據塊（只拷貝一個數據塊的大小）
    iput(inode);

1. 初始化硬碟
   將硬碟所有的塊（引導塊+超級塊+inode塊+資料塊）的內容全部置為0；
2. 初始化陣列 passwd
   建立使用者：使用者uid+使用者所屬組gid+使用者密碼；將這些資訊儲存在passwd[]數組裡。
3. 建立主目錄..+子目錄.+etc目錄+password目錄
   這幾個目錄的關係是 .././etc/passwd
   
   這一步具體是怎麼建立的，需要細細說明。

1)inode0 用於建立..目錄(/的父目錄)

    inode = iget(0);   /* 0 empty dinode id*/
    inode->di_number = 1;//關聯檔案數設為1         
    inode->di_mode = DIEMPTY;//許可權設為空許可權
    iput(inode);//回收inode結點

兩點是父目錄，一點是當前目錄，為了和Linux系統對應，我們可以這裡的將..理解為根目錄/的父目錄，.理解為根目錄/，etc是根目錄/的子目錄。其實/是沒有父目錄的，之所以為/建立一個父目錄是因為除了/之外，是為了和其他目錄的操作保持一致，其他目錄都有父目錄。
但是由於實際上/沒有父目錄，因此這裡的/的父目錄只是佔用了inode 0，並不佔用block。
2）inode1 & block0 用於建立.目錄（根目錄/）

    inode = iget(1);   /* 1 main dir id*/
    inode->di_addr[0] = 0; /*block 0# is used by the main directory*/

block0中的內容為：

檔名     inode編號
..              1
.               1
etc             2

這個地方，..的inode本來是0，原始碼是不是寫錯了？
對於所有目錄來說，我們都能在它的block中找到父目錄的inode編號，它自己對應的inode編號，以及它底下包含的檔案的inode編號。
3）inode2 & block1用於建立etc目錄（/的子目錄）

    inode = iget(2);  /* 2  etc dir id */
    inode->di_addr[0] = 1; /*block 1# is used by the etc directory*/

block1中的內容為：

檔名     inode編號
..              1
.               2
password        3

4）inode3 & block2 用於建立password檔案（/etc目錄下的檔案）

    inode = iget(3);  /* 3  password id */
    inode->di_addr[0] = 2; /*block 2# is used by the password file*/

block2中的內容為：

p_uid   p_gid   password
2116    03      dddd
2117    03      bbbb
2118    04      abcd
2119    04      cccc
2120    05      eeee

對於所有檔案來說，block中存放的就是檔案的資料內容。
4. 初始化超級塊（superblock）
- 空閒inode陣列

/*2. initialize the superblock */

    filsys.s_isize = DINODEBLK;//inode佔用的block塊數32（注意不是inode的個數）
    filsys.s_fsize = FILEBLK;//data block總塊數512

    /*注意：inode存放在block中，共佔用32block,一個inode大小為52，可以計算出inode的總個數*/
    filsys.s_ninode = DINODEBLK * BLOCKSIZ/DINODESIZ - 4;//4塊被 root的父目錄,root，etc,password佔用
    filsys.s_nfree = FILEBLK - 3;//空閒block數：root，etc,password已經佔用了三塊資料塊

    for (i=0; i < NICINOD; i++){
        /* begin with 4,    0,1,2,3, is used by main,etc,password */
        filsys.s_inode[i] = 4+i;//空閒inode陣列
    }

    filsys.s_pinode = 0;//空閒inode指標，指向s_inode的第0個元素
    filsys.s_rinode = NICINOD + 4; //？？

    block_buf[NICFREE-1] = FILEBLK+1;  /*FILEBLK+1 is a flag of end*/
    for (i=0; i<NICFREE-1; i++)
        block_buf[NICFREE-2-i] = FILEBLK-i-1;           //從最後一個數據塊開始分配??????

    /*將block map表存放在block中：從最後一個block開始存，每個block存放50個block號，block號和存放的第1個block號相同*/
    memcpy(disk+DATASTART+BLOCKSIZ*(FILEBLK-NICFREE), block_buf, BLOCKSIZ);
    for (i=FILEBLK-2*NICFREE+1; i>2; i-=NICFREE){
        for (j=0; j<NICFREE;j++){
            block_buf[j] = i+j;
        }
        memcpy(disk+DATASTART+BLOCKSIZ*(i-1), block_buf, BLOCKSIZ);
    }
    i += NICFREE;
    j = 1;
    for (; i>3; i--)
    {
        filsys.s_free[NICFREE-j] = i-1; 
        j ++;
    }

    filsys.s_pfree = NICFREE - j+1; //空閒塊指標
    memcpy(disk+BLOCKSIZ, &filsys, sizeof(struct filsys));//filsys的內容存放在超級塊：拷貝在磁碟的第0塊
    return;

超級塊的初始化重點要理解空閒block堆疊。試想一下假設使用者要建立一個資料夾Lin

mkdir Lin

那麼系統要給Lin資料夾分配一個空的inode和一個空的block，那麼怎麼知道要分配哪一個inode和哪一個block呢？於是在超級塊中就要存放空閒inode陣列和空閒block棧的資訊，以便快速地找到可分配的inode和block。
1）空閒inode陣列的初始化——s_inode[]

由於前0，1，2，3inode已經被佔用了，0被..佔用，1被.佔用，2被etc佔用，3被passwd佔用，因此空閒inode從4開始。

for (i=0; i < NICINOD; i++){
        /* begin with 4,    0,1,2,3, is used by main,etc,password */
        filsys.s_inode[i] = 4+i;//空閒inode陣列
    }

2）空閒block棧的初始化——s_free[]
棧大小是50，棧底存放結束標誌，因此棧總共能存放49個block編號。磁碟共512個block，有3塊已經被用了，所以物理塊號從3開始。初始化時從511號（第512塊）block開始，向後數49個（一個棧能存放的大小）block到463號block，將這50個block的編號存放在第463號block中，按照這個規律向後推，462號block到414號block，一共49個block的編號存放在414號block中，按照這個規律一直計算下去，512%49=10，最後剩下10個block不夠一個棧的大小，就存在棧中。

當要分配block時就從棧頂開始分配block號，當棧為空，就從磁碟block中依次讀出一個block存放的block編號，以供後續block的分配，然後棧再為空，又再從磁碟讀入block編號。

後續在block分配的程式碼中，我們可以看到這種存放方式，使得一組新的block編號的載入變得很簡單。因為每一組的第一block就是用來存放這一組block編號的，例如 463號block就存放463-511這組block編號，414號block就存放414-462這組block編號。

一組block編號（一組的大小就是棧的大小）

初始化後的空閒block棧

ballfre.cpp——分配block

static unsigned int block_buf[BLOCKSIZ];
/**********************************************************
函式：balloc
功能：維護超級塊中的空閒資料棧，分配空閒資料塊，並返回其塊號
***********************************************************/
unsigned int balloc(){
    unsigned int free_block;
    int i;

    //如果沒有空閒盤塊
    if (filsys.s_nfree == 0){
        printf("\nDisk Full!!!\n");
        return DISKFULL;
    }
    free_block = filsys.s_free[filsys.s_pfree]; //取堆疊中的盤塊號（從3號物理塊開始分配）
    if (filsys.s_pfree == NICFREE-1){           //如果堆疊只剩一個塊
        memcpy(block_buf,disk+DATASTART+(free_block)*BLOCKSIZ,BLOCKSIZ);
        //從中讀取下一組塊號
        for (i=0; i<NICFREE; i++)
            filsys.s_free[i] = block_buf[i];
        filsys.s_pfree = 0;             //設定堆疊指標
    }else{//如果堆疊中大於一個盤塊
        filsys.s_pfree++;               //修改堆疊指標
    }
    filsys.s_nfree --;                  //修改總塊數
    filsys.s_fmod = SUPDATE;
    return free_block;  
}

磁碟格式化後，由於已經用掉了3個block,因此空閒block的編號從3開始。s_free空閒block棧如下所示，棧大小為50，棧底s_free[49]=12,盤塊號為12，棧頂s_free[40]=3,即盤塊號為3，一共有9個物理塊號。s_pfree空閒block棧指標值為40，即指向3號盤塊的下標。

那麼，當用戶登入，開始進行第一次建立時，假設執行命令

mkdir Lin

第一次分配block的具體過程說明如下：
1)檢視空閒block數s_nfree，s_nfree>0,表明還有空閒block
2)查詢空閒塊棧s_free，通過s_pfree找到盤塊號3
3)空閒block數s_nfree減1
4）返回空閒block編號，即3
此時，Lin資料夾所用的block就是3號block。

第9次分配block的具體過程說明如下：
1)檢視空閒block數s_nfree，s_nfree>0,表明還有空閒block
2)查詢空閒塊棧s_free，通過s_pfree找到盤塊號12
3）棧中只剩下一個盤塊，從磁碟中讀取下一組塊號，盤塊號從13開始，到62，共50個物理塊號，到棧中。

….

4)空閒block數s_nfree減1
5）返回空閒block編號，即12
inode的分配和block的分配區別不大。

第三部分— 錯誤修復和程式碼完善

1. Run-Time Check Failure #2 - Stack around the variable ‘passwd’ was corrupted.
   把 project->配置屬性->c/c++->程式碼生成->基本執行時檢查 為 預設值 就不會報本異常。具體原因正在研究中。。。
   如果改為其他就有exception。
2. log.cpp/logout增加

user[i].u_uid = 0;
user[i].u_gid = 0;