# Отчет по дисциплине «Операционные системы»

## РГР «Разработка простой файловой системы»

**Выполнил:** ____________________  
**Группа:** ____________________  
**Проверил:** ____________________  
**Новосибирск, 2026**

## Оглавление

1. [Введение](#введение)
2. [Постановка задачи](#постановка-задачи)
3. [Выбранная архитектура файловой системы](#выбранная-архитектура-файловой-системы)
4. [Структура носителя и основные данные](#структура-носителя-и-основные-данные)
5. [Реализованные операции](#реализованные-операции)
6. [Алгоритмы работы](#алгоритмы-работы)
7. [Тестирование](#тестирование)
8. [Ограничения реализации](#ограничения-реализации)
9. [Вывод](#вывод)

## Введение

Цель работы — разработать учебную файловую систему на языке C, использующую обычный бинарный файл как виртуальный носитель произвольного доступа. Программа должна не только хранить файлы и каталоги, но и показывать основные принципы настоящих файловых систем: разметку носителя, учет свободного места, хранение метаданных, работу с путями и прикладные операции обслуживания.

В качестве ориентира использовался предоставленный пример реализации, однако приоритет был отдан требованиям задания. Поэтому итоговая программа сохраняет простую учебную архитектуру примера, но дополнительно реализует операции `open`, `close`, `seek`, `read`, `write`, `rename`, импорт и экспорт, дефрагментацию и сжатие.

## Постановка задачи

Согласно заданию необходимо разработать систему управления файлами, где разделом является бинарный файл произвольного доступа. Реализация должна включать:

- физический уровень хранения данных;
- структуру учета свободных блоков;
- базовый уровень с индексными метаданными;
- размещение содержимого файлов;
- систему каталогов и путей;
- символьные операции над файлами и каталогами;
- прикладную утилиту для форматирования, просмотра, импорта, экспорта, дефрагментации и сжатия.

## Выбранная архитектура файловой системы

Файловая система разделена на уровни. Такое деление полезно не только для описания в отчете: каждый уровень решает свою задачу и скрывает детали от следующего. Пользователь работает с командами и путями, а не с номерами кластеров; функции чтения работают с файлами, а не с отдельными битами карты свободного пространства.

| Уровень | Реализация | Назначение |
| --- | --- | --- |
| Физический уровень | Кластеры фиксированного размера по 1024 байта | Делит носитель на одинаковые адресуемые блоки; смещение кластера вычисляется как `номер * 1024` |
| Учет свободного места | Битовая карта | Показывает, какие кластеры свободны, а какие уже принадлежат служебным областям или файлам |
| Базовый уровень | Индексный файл с дескрипторами объектов | Хранит метаданные файлов и каталогов отдельно от пользовательских данных |
| Размещение файлов | Список номеров кластеров в дескрипторе | Позволяет файлу занимать несколько несмежных кластеров и читать их в правильном порядке |
| Логический уровень | Неупорядоченный список имен | Представляет каталоги через связь «объект — родительский каталог» и выполняет линейный поиск по именам |
| Символьный уровень | Пути вида `/docs/file.txt`, буферизированные операции `open/close/seek/read/write` | Преобразует удобные человеку имена и позиции в обращения к дескрипторам и кластерам |
| Прикладной уровень | Интерактивная консольная утилита | Дает команды для форматирования, просмотра, копирования, импорта, экспорта, сжатия и дефрагментации |

### Физический уровень

Носителем является обычный бинарный файл. Он рассматривается как последовательность кластеров одинакового размера. Фиксированный размер выбран ради простоты: адрес любого кластера находится прямым умножением, а алгоритм выделения не обязан искать переменные по длине участки памяти. Недостатком является внутреннее фрагментирование: даже файл в несколько байт занимает целый кластер.

### Уровень свободного пространства

Для каждого кластера хранится один бит. При форматировании служебные кластеры суперблока, битовой карты и индексного файла сразу помечаются занятыми. При записи файла функция выделения просматривает карту от начала области данных и выбирает первые свободные кластеры; при удалении файла соответствующие биты сбрасываются обратно в ноль.

### Базовый уровень

Индексный файл — это таблица дескрипторов `Entry`. Один дескриптор описывает один файл или каталог: имя, тип, родителя, размеры и список кластеров. Корневой каталог хранится в нулевой записи. Благодаря индексному файлу метаданные можно прочитать сразу после монтирования носителя, не просматривая всю область данных.

### Уровень размещения файлов

Каждый файл хранит массив номеров своих кластеров. Поэтому файл может лежать не непрерывно, а частями в разных местах виртуального диска. При чтении система идет по этому массиву и собирает содержимое в правильной последовательности. Дефрагментация перестраивает эти списки так, чтобы занятые кластеры снова располагались компактно.

### Логический и символьный уровни

Каталог реализован без отдельного файла содержимого: у каждого объекта есть поле `parent`, содержащее индекс родительского каталога. Путь разбивается по символу `/`, после чего система шаг за шагом ищет дочерний объект в текущем каталоге. Символьный уровень дает привычные операции над открытым файлом: `open`, `close`, `seek`, `read`, `write`; внутри программы они работают через буфер и скрывают детали физического размещения.

```mermaid
flowchart LR
    A[Команда пользователя] --> B[Путь /docs/a.txt]
    B --> C[Поиск дескриптора]
    C --> D[Список кластеров]
    D --> E[Битовая карта]
    D --> F[Байты в области данных]
```

## Структура носителя и основные данные

В начале виртуального диска находится суперблок. Он хранит сигнатуру файловой системы, размер диска, размер кластера, смещения служебных областей и индекс корневого каталога.

```c
typedef struct {
    uint32_t magic;
    uint32_t disk_size;
    uint32_t cluster_size;
    uint32_t total_clusters;
    uint32_t bitmap_offset;
    uint32_t bitmap_size;
    uint32_t index_offset;
    uint32_t index_clusters;
    uint32_t data_start_cluster;
    uint32_t root_index;
} SuperBlock;
```

После суперблока располагается битовая карта. Каждый ее бит соответствует одному кластеру: `0` означает свободный кластер, `1` — занятый. Далее находится индексный файл, представленный массивом дескрипторов `Entry`.

```c
typedef struct {
    char name[32];
    uint8_t type;
    uint8_t compressed;
    uint32_t parent;
    uint32_t size;
    uint32_t stored_size;
    uint32_t cluster_count;
    uint32_t clusters[128];
} Entry;
```

Поле `size` хранит логический размер файла, видимый пользователю, а `stored_size` — фактическое количество байт на носителе. Это различие необходимо для поддержки сжатых файлов.

```mermaid
flowchart TB
    S[Суперблок] --> B[Битовая карта]
    B --> I[Индексный файл]
    I --> D[Область данных]
    I --> R[Корневой каталог /]
    R --> F[Дескрипторы файлов и каталогов]
    F --> D
```

## Реализованные операции

Программа собирается из файла `simplefs.c` и запускается с именем файла-носителя:

```bash
gcc -std=c11 -Wall -Wextra -pedantic simplefs.c -o simplefs
./simplefs disk.img
```

Интерактивная оболочка поддерживает историю команд: в обычном терминале стрелки **Up** и **Down** перемещаются по ранее введенным строкам. Основные команды названы в стиле Unix, чтобы работа с учебной файловой системой напоминала привычную командную строку.

### Справочник команд

| Команда | Синтаксис | Назначение |
| --- | --- | --- |
| Форматирование | `format <KiB>` | создает новый файл-носитель указанного размера |
| Информация | `info` | показывает размер диска, размер кластера и число свободных кластеров |
| Список | `ls [path]` | выводит содержимое текущего или указанного каталога |
| Текущий каталог | `pwd` | печатает текущий абсолютный путь |
| Переход | `cd <path>` | меняет текущий каталог |
| Создание каталога | `mkdir <path>` | создает новый каталог |
| Удаление каталога | `rmdir <path>` | удаляет только пустой каталог |
| Создание файла | `touch <path>` | создает пустой файл |
| Удаление файла | `rm <path>` | удаляет файл и освобождает его кластеры |
| Копирование внутри ФС | `cp <from> <to>` | копирует файл в новый путь или в существующий каталог |
| Перемещение/переименование | `mv <from> <to>` | переносит файл или каталог; если меняется только имя, работает как переименование |
| Запись текста | `write <path> <text>` | перезаписывает файл текстовой строкой |
| Просмотр файла | `cat <path>` | выводит логическое содержимое файла |
| Просмотр хранения | `rawcat <path>` | выводит физически сохраненные байты и объясняет пары RLE |
| Импорт файла | `import <host_file> <fs_path>` | копирует файл из основной ОС в учебную ФС |
| Экспорт файла | `export <fs_path> <host_file>` | копирует файл из учебной ФС в основную ОС |
| Импорт папки | `importdir <host_dir> <fs_path>` | рекурсивно импортирует каталог |
| Экспорт папки | `exportdir <fs_path> <host_dir>` | рекурсивно экспортирует каталог |
| Экспорт носителя | `savecarrier <host_file>` | сохраняет копию всего бинарного носителя |
| Импорт носителя | `loadcarrier <host_file>` | заменяет текущий носитель ранее сохраненной копией |
| Сжатие | `compress <path>` | применяет RLE-сжатие, если оно уменьшает файл |
| Распаковка | `decomp <path>` | восстанавливает файл в несжатом виде |
| Дефрагментация | `defrag` | заново записывает файлы подряд в область данных |
| Справка и выход | `help`, `exit`, `quit` | показывает команды или завершает программу |

На уровне программного интерфейса реализованы функции `fs_open`, `fs_close`, `fs_seek`, `fs_read` и `fs_write`. Открытый файл использует буфер в памяти, поэтому чтение и запись записей произвольной длины выполняются без прямой работы пользователя с кластерами.

## Алгоритмы работы

### Форматирование

При выполнении `format` создается бинарный файл нужного размера, вычисляются размеры служебных областей, резервируются занятые кластеры и создается корневой каталог `/`.

### Выделение свободного кластера

Алгоритм линейно просматривает битовую карту, начиная с области данных. Первый свободный бит помечается как занятый, а номер соответствующего кластера возвращается вызывающей функции.

### Работа с каталогами

Каталог не хранит отдельный массив дочерних элементов. Вместо этого у каждого дескриптора есть поле `parent`, содержащее индекс родительского каталога. Для поиска элемента программа просматривает индексный файл и сравнивает имя и родителя.

### Сжатие

Команда `compress` использует простой алгоритм RLE: одинаковые подряд идущие байты заменяются парой «количество + значение». Если сжатый вариант не меньше исходного, файл не изменяется. При чтении сжатый файл автоматически восстанавливается в обычный вид. Для наблюдения за внутренним представлением предусмотрена команда `rawcat`: она показывает сохраненные байты в шестнадцатеричном виде и расшифровывает каждую RLE-пару. Команда `decomp` выполняет обратное преобразование и снова сохраняет файл без сжатия.

### Дефрагментация

Команда `defrag` временно считывает содержимое файлов, очищает карту размещения области данных и записывает файлы заново подряд. После операции используемые кластеры становятся компактно расположенными.

## Тестирование

Пример базового сценария:

```text
format 512
mkdir /docs
touch /docs/a.txt
write /docs/a.txt aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
cat /docs/a.txt
compress /docs/a.txt
ls /docs
rename /docs/a.txt b.txt
export /docs/b.txt exported.txt
defrag
info
```

Ожидаемые результаты:

| Проверка | Результат |
| --- | --- |
| Форматирование носителя | создается корректный виртуальный диск |
| Создание каталога и файла | объекты появляются в `ls` |
| Запись и чтение | `cat` выводит ранее записанный текст |
| Сжатие повторяющихся данных | `stored_size` становится меньше `size` |
| Переименование | файл доступен под новым именем |
| Экспорт | создается внешний файл с тем же содержимым |
| Дефрагментация | содержимое файлов сохраняется, кластеры уплотняются |

## Ограничения реализации

| Ограничение | Причина |
| --- | --- |
| Не более 128 объектов | фиксированный размер индексного файла |
| Не более 128 кластеров на файл | фиксированный массив номеров кластеров |
| Длина имени до 31 символа | размер поля `name[32]` |
| Линейный поиск по каталогу | выбрана простая неупорядоченная структура |
| RLE эффективно не для всех данных | алгоритм выбран ради понятности реализации |
| Нет одновременного доступа нескольких процессов | учебная однопользовательская модель |

## Вывод

В ходе работы была реализована простая файловая система, работающая поверх бинарного файла как виртуального носителя. Реализация охватывает все основные уровни, указанные в задании: физическое размещение, учет свободных блоков, индексные метаданные, каталоги, операции над файлами и сервисные команды управления носителем.

Полученная программа остается достаточно простой для изучения начинающим разработчиком на C, но при этом показывает полный путь данных: от пользовательской команды до изменения битовой карты, индексного дескриптора и байтов в кластерах виртуального диска.