檔案系統（File System）
你到目前為止的表現非常棒！你已經實作了行程、shell、記憶體管理與磁碟驅動器。現在，讓我們來完成一個真正的作業系統的最後一塊拼圖：檔案系統。
使用 tar 作為檔案系統
在本書中，我們將採取一種有趣的方式來實作檔案系統：使用 tar 檔作為我們的檔案系統格式。
Tar 是一種可以包含多個檔案的壓縮封裝格式，它包含了檔案的內容、檔名、建立日期等資訊，這些正好就是一個檔案系統所需要管理的東西。與 FAT 或 ext2 這類常見檔案系統相比，tar 的資料結構要簡單得多。此外，我們還可以直接使用熟悉的 tar 指令來操作這個檔案系統映像。對於教育用途來說，這樣是不是很理想呢？
TIP
現在的 tar 常被當作 ZIP 的替代品來用，但其實它最初是為了磁帶儲存裝置（磁帶機）而設計的一種檔案系統格式。雖然我們在這一章中將它用作類似檔案系統的用途，但你會發現 tar 並不適合隨機存取（random access）。如果有興趣的話，建議閱讀 FAT 檔案系統的設計。
建立磁碟映像檔（tar 檔）
我們首先需要準備好檔案系統的內容。請建立一個名為 disk 的資料夾，並在其中加入一些檔案。其中一個可以命名為 hello.txt。
$ mkdir disk
$ vim disk/hello.txt
$ vim disk/meow.txt在建置腳本中加入一條指令用來建立一個 tar 檔案並將它作為磁碟映像傳遞給 QEMU
(cd disk && tar cf ../disk.tar --format=ustar *.txt) # new
$QEMU -machine virt -bios default -nographic -serial mon:stdio --no-reboot \
-d unimp,guest_errors,int,cpu_reset -D qemu.log \
-drive id=drive0,file=disk.tar,format=raw,if=none \ # modified
-device virtio-blk-device,drive=drive0,bus=virtio-mmio-bus.0 \
-kernel kernel.elf這裡使用的 tar 指令選項如下：
cf：建立 tar 檔案。--format=ustar：以 ustar 格式建立。
TIP
(...) 括號會建立一個子殼層（subshell），這樣 cd 指令的作用範圍只會在括號內，不會影響腳本其他部分的工作目錄。
Tar 檔案結構
tar 檔案具有以下結構：
+----------------+
| tar header |
+----------------+
| file data |
+----------------+
| tar header |
+----------------+
| file data |
+----------------+
| ... |總結來說，tar 檔基本上是一系列的「tar 標頭」與「檔案資料」配對，每個檔案對應一組這樣的配對。tar 格式有幾種類型，但我們將使用 ustar 格式（參見 維基百科）。
我們將使用這種檔案結構作為我們檔案系統的資料結構。將這個與真實的檔案系統相比，會非常有趣且具有教育意義。
讀取檔案系統
首先，在 kernel.h 中定義與 tar 檔案系統相關的資料結構：
#define FILES_MAX 2
#define DISK_MAX_SIZE align_up(sizeof(struct file) * FILES_MAX, SECTOR_SIZE)
struct tar_header {
char name[100];
char mode[8];
char uid[8];
char gid[8];
char size[12];
char mtime[12];
char checksum[8];
char type;
char linkname[100];
char magic[6];
char version[2];
char uname[32];
char gname[32];
char devmajor[8];
char devminor[8];
char prefix[155];
char padding[12];
char data[]; // Array pointing to the data area following the header
// (flexible array member)
} __attribute__((packed));
struct file {
bool in_use; // Indicates if this file entry is in use
char name[100]; // File name
char data[1024]; // File content
size_t size; // File size
};在我們的檔案系統實作中，所有檔案會在開機時從磁碟讀入記憶體。FILES_MAX 定義了可載入的檔案最大數量，而 DISK_MAX_SIZE 指定了磁碟映像檔的最大大小。接下來，我們來在 kernel.c 中將整個磁碟內容讀入記憶體：
struct file files[FILES_MAX];
uint8_t disk[DISK_MAX_SIZE];
int oct2int(char *oct, int len) {
int dec = 0;
for (int i = 0; i < len; i++) {
if (oct[i] < '0' || oct[i] > '7')
break;
dec = dec * 8 + (oct[i] - '0');
}
return dec;
}
void fs_init(void) {
for (unsigned sector = 0; sector < sizeof(disk) / SECTOR_SIZE; sector++)
read_write_disk(&disk[sector * SECTOR_SIZE], sector, false);
unsigned off = 0;
for (int i = 0; i < FILES_MAX; i++) {
struct tar_header *header = (struct tar_header *) &disk[off];
if (header->name[0] == '\0')
break;
if (strcmp(header->magic, "ustar") != 0)
PANIC("invalid tar header: magic=\"%s\"", header->magic);
int filesz = oct2int(header->size, sizeof(header->size));
struct file *file = &files[i];
file->in_use = true;
strcpy(file->name, header->name);
memcpy(file->data, header->data, filesz);
file->size = filesz;
printf("file: %s, size=%d\n", file->name, file->size);
off += align_up(sizeof(struct tar_header) + filesz, SECTOR_SIZE);
}
}在這個函式中，我們首先使用 read_write_disk 函式將磁碟映像檔載入到一個暫存緩衝區（disk 變數）中。disk 變數被宣告為 static 變數，而不是區域（stack）變數。這是因為堆疊的大小有限，盡量避免用來存放大型資料區塊。
在載入磁碟內容後，我們依序將資料複製到 files 陣列的每個項目中。請注意， tar 標頭中的數字是八進位格式 。這非常容易混淆，因為它看起來像是十進位。oct2int 函式會將這些八進位字串值轉換成整數。
最後，請確認在 kernel_main 中初始化 virtio-blk 裝置（virtio_blk_init）之後，呼叫 fs_init 函式。
void kernel_main(void) {
memset(__bss, 0, (size_t) __bss_end - (size_t) __bss);
WRITE_CSR(stvec, (uint32_t) kernel_entry);
virtio_blk_init();
fs_init();
/* omitted */
}測試檔案讀取功能
我們來試試看！它應該會列印出 disk 目錄中每個檔案的名稱與大小：
$ ./run.sh
virtio-blk: capacity is 2560 bytes
file: world.txt, size=0
file: hello.txt, size=22寫入磁碟
可以透過將 files 變數的內容以 tar 檔案格式寫回磁碟，來實作檔案寫入功能。
void fs_flush(void) {
// Copy all file contents into `disk` buffer.
memset(disk, 0, sizeof(disk));
unsigned off = 0;
for (int file_i = 0; file_i < FILES_MAX; file_i++) {
struct file *file = &files[file_i];
if (!file->in_use)
continue;
struct tar_header *header = (struct tar_header *) &disk[off];
memset(header, 0, sizeof(*header));
strcpy(header->name, file->name);
strcpy(header->mode, "000644");
strcpy(header->magic, "ustar");
strcpy(header->version, "00");
header->type = '0';
// Turn the file size into an octal string.
int filesz = file->size;
for (int i = sizeof(header->size); i > 0; i--) {
header->size[i - 1] = (filesz % 8) + '0';
filesz /= 8;
}
// Calculate the checksum.
int checksum = ' ' * sizeof(header->checksum);
for (unsigned i = 0; i < sizeof(struct tar_header); i++)
checksum += (unsigned char) disk[off + i];
for (int i = 5; i >= 0; i--) {
header->checksum[i] = (checksum % 8) + '0';
checksum /= 8;
}
// Copy file data.
memcpy(header->data, file->data, file->size);
off += align_up(sizeof(struct tar_header) + file->size, SECTOR_SIZE);
}
// Write `disk` buffer into the virtio-blk.
for (unsigned sector = 0; sector < sizeof(disk) / SECTOR_SIZE; sector++)
read_write_disk(&disk[sector * SECTOR_SIZE], sector, true);
printf("wrote %d bytes to disk\n", sizeof(disk));
}在這個函式中，會先在 disk 變數中建立 tar 檔案，然後透過 read_write_disk 函式將其寫入磁碟。是不是很簡單？
設計檔案讀寫的系統呼叫
既然我們已經實作了檔案系統的讀寫操作，接下來讓應用程式也能讀取與寫入檔案。我們會提供兩個系統呼叫：readfile 用於讀取檔案，writefile 用於寫入檔案。這兩個系統呼叫都會接受以下參數：檔案名稱、一段記憶體緩衝區（用於讀取或寫入），以及緩衝區的大小。
#define SYS_READFILE 4
#define SYS_WRITEFILE 5int readfile(const char *filename, char *buf, int len) {
return syscall(SYS_READFILE, (int) filename, (int) buf, len);
}
int writefile(const char *filename, const char *buf, int len) {
return syscall(SYS_WRITEFILE, (int) filename, (int) buf, len);
}int readfile(const char *filename, char *buf, int len);
int writefile(const char *filename, const char *buf, int len);TIP
與其比較一般作業系統中系統呼叫的設計，了解這裡省略了哪些部分，是件很有趣的事。舉例來說，為什麼 Linux 中的 read(2) 和 write(2) 系統呼叫使用的是檔案描述符，而不是檔案名稱？
實作系統呼叫
讓我們來實作上一節中定義的系統呼叫。
struct file *fs_lookup(const char *filename) {
for (int i = 0; i < FILES_MAX; i++) {
struct file *file = &files[i];
if (!strcmp(file->name, filename))
return file;
}
檔案的讀取與寫入操作大致相同，因此它們被放在同一個地方一起處理。fs_lookup 函數會根據檔名在 files 變數中搜尋對應的項目。對於讀取操作，它會從檔案項目中讀出資料；而在寫入時，則會修改該項目的內容。最後，fs_flush 函數會將資料寫回磁碟中。
WARNING
為了簡化實作，我們直接引用了來自應用程式的指標（即 「user pointers」 ），但這樣做會產生安全性問題。如果使用者可以任意指定記憶體位置，他們可能會透過系統呼叫讀取或修改核心的記憶體區域。
檔案讀寫指令
讓我們從 shell 讀寫檔案。由於 shell 尚未實作指令列參數解析，我們暫時以硬編碼的方式，在 readfile 和 writefile 指令中讀寫固定檔案 hello.txt：
else if (strcmp(cmdline, "readfile") == 0) {
char buf[128];
int len = readfile("hello.txt", buf, sizeof(buf));
buf[len] = '\0';
printf("%s\n", buf);
}
else if (strcmp(cmdline, "writefile") == 0)
writefile("hello.txt", "Hello from shell!\n", 19);這真的非常簡單！但它會導致一個頁錯（page fault）
$ ./run.sh
> readfile
PANIC: kernel.c:561: unexpected trap scause=0000000d, stval=01000423, sepc=8020128a讓我們深入探討原因。根據 llvm-objdump 的分析，錯誤發生在 strcmp 函式中：
$ llvm-objdump -d kernel.elf
...
80201282 <strcmp>:
80201282: 03 46 05 00 lbu a2, 0(a0)
80201286: 15 c2 beqz a2, 0x802012aa <.LBB3_4>
80201288: 05 05 addi a0, a0, 1
8020128a <.LBB3_2>:
8020128a: 83 c6 05 00 lbu a3, 0(a1) ← page fault here (a1 has 2nd argument)
8020128e: 33 37 d0 00 snez a4, a3
80201292: 93 77 f6 0f andi a5, a2, 255
80201296: bd 8e xor a3, a3, a5
80201298: 93 b6 16 00 seqz a3, a3在 QEMU monitor 中檢查分頁表內容後，位於 0x1000423 的分頁（對應虛擬位址 0x01000000）確實被映射為使用者頁面（u），且具有讀、寫、執行（rwx）權限。
QEMU 8.0.2 monitor - type 'help' for more information
(qemu) info mem
vaddr paddr size attr
-------- ---------------- -------- -------
01000000 000000008026c000 00001000 rwxu-a-讓我們使用 x 指令來轉儲（dump）該虛擬位址的記憶體內容：
(qemu) x /10c 0x1000423
01000423: 'h' 'e' 'l' 'l' 'o' '.' 't' 'x' 't' '\x00' 'r' 'e' 'a' 'd' 'f' 'i'
01000433: 'l' 'e' '\x00' 'h' 'e' 'l' 'l' 'o' '\x00' '%' 's' '\n' '\x00' 'e' 'x' 'i'
01000443: 't' '\x00' 'w' 'r' 'i' 't' 'e' 'f'如果頁表設定錯誤，x 指令會顯示錯誤，或顯示其他頁面的內容。在這裡，我們可以確認頁表已正確配置，且指標確實指向字串 "hello.txt"。
那麼，頁錯（page fault）的原因是什麼呢？答案是：sstatus CSR 中的 SUM 位元未被設定。
存取使用者指標
在 RISC-V 中，S 模式（核心）的行為可以透過 sstatus CSR 來設定，其中包含 SUM（允許 Supervisor 存取 User 記憶體）位元 。當 SUM 未被設定時，S 模式程式（也就是核心）將無法存取 U 模式（使用者）頁面。
TIP
這是一項安全機制，用於防止核心程式無意中參考使用者記憶體區域。 順帶一提，Intel CPU 也有類似機制，稱為「SMAP（Supervisor Mode Access Prevention）」。
如下所示定義 SUM 位元的位置：
#define SSTATUS_SUM (1 << 18)我們只需要在進入使用者空間時設定 SUM 位元即可：
__attribute__((naked)) void user_entry(void) {
__asm__ __volatile__(
"csrw sepc, %[sepc]\n"
"csrw sstatus, %[sstatus]\n"
"sret\n"
:
: [sepc] "r" (USER_BASE),
[sstatus] "r" (SSTATUS_SPIE | SSTATUS_SUM) // updated
);
}TIP
我剛才解釋了 「是 SUM 位元造成的問題」，但你可能會好奇：這要怎麼自己找出來？這確實很困難 —— 即使你知道有發生 page fault，要縮小範圍通常也很不容易。更糟的是，CPU 甚至不會提供詳細的錯誤代碼。我能找出這問題的原因，其實只是因為我剛好知道有 SUM 這個位元。
以下是當事情「看起來正常但實際上 不正常 」時，可以嘗試的一些除錯方法：
- 仔細閱讀 RISC-V 規範，它有提到： 「當 SUM 位元被設置時，S 模式才可以存取 U 模式頁面。」
- 閱讀 QEMU 的原始碼。前面提到的 page fault 原因實作在 這段程式碼 中。不過說真的，這可能跟看規格書一樣難，甚至更難。
- 問問大型語言模型（LLM）。我不是在開玩笑，現在它們已經是你最好的程式夥伴了。
除錯是從零開始寫作業系統最花時間的部分之一，也是許多實作者放棄的主因。但每次你克服這些挑戰，你就會學到更多，然後……真的會超級開心！
測試檔案讀寫
我們再試一次讀寫檔案。readfile 指令應該會顯示出 hello.txt 的內容：
$ ./run.sh
> readfile
Can you see me? Ah, there you are! You've unlocked the achievement "Virtio Newbie!"我們也來嘗試寫入檔案。寫入完成後，應該會顯示寫入的位元組（byte）數量。
> writefile
wrote 2560 bytes to disk現在磁碟映像檔已經被新的內容更新了。離開 QEMU 並解壓 disk.tar。你應該會看到更新後的內容。
$ mkdir tmp
$ cd tmp
$ tar xf ../disk.tar
$ ls -alh
total 4.0K
drwxr-xr-x 4 seiya staff 128 Jul 22 22:50 .
drwxr-xr-x 25 seiya staff 800 Jul 22 22:49 ..
-rw-r--r-- 1 seiya staff 26 Jan 1 1970 hello.txt
-rw-r--r-- 1 seiya staff 0 Jan 1 1970 meow.txt
$ cat hello.txt
Hello from shell!你已經實作了一個關鍵功能 —— 「檔案系統」 ！耶！