恭喜你来到了 Pintos 整个项目的最后一关！在 Project 2 和 3 中，我们一直在“白嫖”现有的文件系统，而这一次，我们要亲手重写它。Project 4 是整个 Pintos 项目代码量最大的部分。

Project 4 File Systems 的核心目标是将那个“简陋”的文件系统（只能创建固定大小文件、没有子目录、磁盘访问极慢）改造成一个类 Unix 的现代文件系统。

根据官方建议，可以基于 Project 2 的代码开始，但是如果你对自己的 Project 3 较为自信，也可以基于 Proj 3，但调试难度较大。（笔者的队友是基于笔者写的 Project 3 开始的，似乎也没有发生什么问题）

先下载设计文档模板。

文件介绍

filesys 目录下的重要文件

inode.c / inode.h
- 管理文件在磁盘上的布局。你需要将原来的“连续分配”改为“索引分配”（类似 Linux 的 Ext2）。
directory.c / directory.h
- 将文件名映射到 Inode。你需要将其改为支持层级结构（子目录）。
filesys.c / filesys.h
- 文件系统的顶层接口。
cache.c / cache.h (需新建)
- 块缓存 (Buffer Cache)：为了减少磁盘 I/O，你需要实现一个 64 扇区限制的内存缓存。
free-map.c / free-map.h
- 管理磁盘空闲块（位图）。

任务要求

1. Buffer Cache (块缓存)

目前的 Pintos 每次读写文件都直接操作磁盘，效率极低。

64 扇区限制：你最多只能在内存里缓存 64 个扇区的代码。
置换算法：实现类似 Clock 或 LRU 的算法。
Write-behind：修改数据先写到缓存，稍后再异步写回磁盘（或是进程结束时写回）。
Read-ahead：预读下一个块。

2. Indexed and Extensible Files (索引与可扩展文件)

原来的文件系统是“连续存储”的，容易产生碎片，且文件大小在创建时就固定了。

Inode 改造：实现直接块、一级间接块和二级间接块，支持最大 8MB 的文件。
动态增长：文件最初大小为 0，随着 write 自动增长。
空洞文件 (Sparse Files)：支持 seek 到文件末尾之后再写入。

3. Subdirectories (多级子目录)

现在所有文件都挤在根目录下，这显然不行。

路径解析：支持 /a/b/c 这种绝对路径和 ../../d 这种相对路径。
CWD (当前工作目录)：每个进程需要记录自己当前在哪。
特殊目录：支持 . (当前) 和 .. (父目录)。
新系统调用：chdir, mkdir, readdir, isdir, inumber。

4. Fine-grained Synchronization (细粒度同步)

原来的文件系统是用一个大锁一把抓的。

并发访问：要求支持多个进程同时读取同一个文件。
独立操作：对不同文件的操作不应该互相阻塞。

执行建议

由于 Project 4 的测试极其依赖 tar 工具的稳定性，建议按照以下顺序：

Buffer Cache：首先实现它并集成。完成后，Project 2 的测试应该依然全部 Pass。
Inode 索引化：修改 inode.c 以支持不连续存储和文件增长。这是最硬的骨头。
子目录基础：修改 directory.c，让目录项可以指向另一个目录。
路径解析与 Syscalls：在 syscall.c 中实现 chdir, mkdir 等。
同步与持久性优化：处理并发 Bug，确保 pintos poweroff 后数据能正确写入磁盘。

代码量参考值

这是官方参考实现的 diffstat。由于需要实现缓存和复杂的索引结构，代码量再次刷新记录（约 2700 行）：

filesys/cache.c      |  473 +++++++++++++++++++++++++
filesys/directory.c  |   99 ++++-
filesys/filesys.c    |  194 +++++++++-
filesys/inode.c      |  444 ++++++++++++++++++-----
userprog/process.c   |  332 +++++++++++++----
userprog/syscall.c   |  582 ++++++++++++++++++++++++++++++-
...
30 files changed, 2721 insertions(+), 286 deletions(-)

到这里，恭喜你完成了整个 Pintos 系列 Project！你对操作系统的理解已经进入了一个新的等级了！

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