操作系统系列文章

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文件管理

一、目的

二、设计内容

三、 设计要求

四、设计思想

1、总体设计思想

2、 结构体FCB

3、创建文件或目录

4、寻找空磁盘存文件

5、删除文件

五、源代码

六、运行结果

七、课设总结：

文件管理

一、目的

        通过模拟磁盘，完成操作系统的文件管理功能，掌握包括目录结构的管理、外存空间的分配与释放以及空闲空间管理三部分。为写入模拟磁盘的数据文件建立目录，目录可以是单级文件目录、双级文件目录、树形结构目录。在目录中选择某个文件可以将其数据读入模拟内存。

二、设计内容

 1、通过初始化操作建立一个模拟磁盘，在模拟磁盘中保存目录和文件内容。创建该模拟磁盘时可创建初始的根目录内容、文件分配表。

 2、文件目录项（可以采用FCB格式）应包括文件名、类型（目录 or文件）、创建日期、大小、第一个磁盘块块号。

3、目录管理需支持：

（1）新建目录：在目录中新建空目录；（3）删除目录：删除空目录（4）为文件建立目录项：一个文件创建成功后，为该文件创建目录项，并将文件和相关信息写入目录；（5）删除文件：删除目录中某个文件，删除其在磁盘中的数据，并删除目录项。如果被删除文件已经读入内存应阻止删除，完成基本的文件保护。

三、 设计要求

1．不同的功能使用不同的函数实现（模块化），对每个函数的功能和调用接口要注释清楚。对程序其它部分也进行必要的注释。

2．对系统进行功能模块分析、画出总流程图和各模块流程图。

3．用户界面要求使用方便、简洁明了、美观大方、格式统一。所有功能可以反复使用，最好使用菜单。

4．通过命令行相应选项能直接进入某个相应菜单选项的功能模块。

5．所有程序需调试通过。

四、设计思想

1、总体设计思想

此文件管理系统主要分为两个模块，一是目录管理，二是文件管理。

具体的模块功能如下：

（1）目录管理：目录管理主要是对目录的操作，包括创建、删除、查看、修改目录名以及切换目录等。

 创建目录：在当前目录下新建空目录，新件目录名不能与同级目录重名，但不同级目录可以重名。删除目录：在当前目录下删除空目录，如果不是空目录不可以删除。查看当前目录下的信息：可以查看当前目录的下的目录和文件，展现其相关信息，如名称、类型、创建时间、文件大小等。修改目录名：在当前目录下可修改目录名称，同理修改后的名称不能与同级目录重名。切换目录：在当前目录下可切换到上一级目录和下一级目录中。

（2）文件管理：主要是对文件的操作，包括创建、删除、修改文件名、打开、关闭文件以及查看FAT表和位示图等。

创建文件：在当前目录下创建文件，在创建时需要输入名称、文件大小。删除文件：在当前目录下删除文件，当文件是打开状态则不能删除，必须先将其关闭后才能成功删除文件。修改文件名：在当前目录下可修改文件名称，同理修改后的名称不能与同级目录下的重名。查看FAT和位示图：查看文件分配表，即文件具体存储的盘块的位置，查看位示图，即当前盘块的状态。

2、 结构体FCB

        该文件管理系统设计了一个文件目录项，采用FCB格式，其中包括文件名、类型（目录or文件）、创建时间、大小、第一个盘块号。其中存储目录或文件采用二叉树的模式。FCB结构体定义如下：

<code>typedef struct FCB

{                       //文件或目录控制块

    char name[10];      //文件或目录名

    int size;           //文件或目录大小，目录大小可设置为 0

    char type;          //类型，1 为文件，2 为目录

    int first;          //外存起始位置  -1被占 -2未被占

    char datetime[128]; //日期时间，格式为 yyyymmdd hhmmss

    struct FCB *next;   //下一个兄弟节点，相同父结点的节点称为兄弟结点

    struct FCB *child;  //第一个孩子节点

    struct FCB *parent; //父节点

    int read = 0;       //是否打开，1为打开，0为关闭

} F;

3、创建文件或目录

4、寻找空磁盘存文件

        当新建文件时，需要根据文件大小为其分配磁盘空间存储文件。该功能主要是通过findNULL（）函数实现的，主要思想如下：

        首先，通过文件大小f_size计算需要多少个盘块F_SIZE，需要使用向上取整的方式计算，已经规定每个盘块大小为10B，计算方法如下：F_SIZE=(f_size - 1)/10然后利用for循环遍历b[][]位示图数组，找到空闲盘块，将其转换为盘块号 x=i*8+j,并将盘块号x存放在临时数组m[100]中，并修改位示图,b[i][j]=1（为1表示占用，0表示未占用），跳出本次循环，然后在进行第二次循环寻找第2个可用盘块，直到k=F_SIZE,结束最外层循环，已经全部找到可用盘块位置。

        其次 ，当盘块号全部找到后修改FAT表（-2表示未被占用，-1表示已用，大于0 的数表示磁盘号），FAT表是一个索引表，FAT[i]表示下一个盘块号，i表示该文件的第一个盘块号。

5、删除文件

        定义全局结构体变量p，指向当前目录，定一个局部结构体变量np，并使np=p。删除文件首先要输入删除文件或目录名name，然后遍历二叉树找到该目录的前一个结点，即np->next->name=name,然后判断np->next是的类型是否为文件，如果是将其删除，并调用updateTable(）更新FAT表和位示图。如果都遍历完没有找到，提示用户该文件不存在！

6、切换目录

        定义全局结构体变量p，指向当前目录，定一个局部结构体变量np，并使np=p，在使得np指向其孩子结点。利用while循环遍历二叉树，寻找到np->name=name, 找到后将np赋给p，使得p指向np.当np==NULL ，提示用户未找到该文件或目录。最后调用updatelujing()函数显示当前路径。

五、源代码

<code>#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <time.h>

#include <string.h>

/*

先假设内存大小为64kb,块大小为1K,一个文件或目录最多可以用3个盘块存储

1、先建立位示图，利用随机函数生成*/

// 1为目录，2为文件

void menu(); //菜单

void initdir(); //初始化根目录

void byteCreat(); //创建位示图

void updatelujing(); //更新当前光标所在位置（就是路径）

int updateTable(int, int); //当文件删除时，修改FAT表和修改位示图

int findNULL(); //寻找空位置

void getTime(); //获取时间

void create_Dir(int); //创建目录或者文件

void delDir(char *); //删除空目录

void printNow(); //显示当前目录下的文件或目录

void delFile(char *); //删除文件

void cdir(char *); //切换下一级

void byteShow(); //显示位示图

void fatShow(); //显示FATm

void openfile(char); //打开文件

void closefile(char); //关闭文件

typedef struct FCB

{ //文件或目录控制块

char name[10]; //文件或目录名

int size; //文件或目录大小，目录大小可设置为 0

char type; //类型，1 为文件，2 为目录

int first; //外存起始位置 -1被占 -2未被占

char datetime[128]; //日期时间，格式为 yyyymmdd hhmmss

struct FCB *next; //下一个兄弟节点，相同父结点的节点称为兄弟结点

struct FCB *child; //第一个孩子节点

struct FCB *parent; //父节点

int read = 0; //是否打开，1为打开，0为关闭

} F;

int COUNT = 0; //文件个数

int F_SIZE; //一个文件可以占几个盘块

// int F_SIZE_LIST[50]; //每个文件的盘块个数

F *p = NULL; //全局变量，指向当前目录

int b[100][100]; //位示图数组

int FAT[100]; //文件分配表

// node *head = NULL; //全局变量，?

// 1、获取当前创建时间，利用time函数

void getTime(FCB *f)

{

time_t t; //时间对象变量

char buf[128];

memset(buf, 0, sizeof(buf)); //清空数组

struct tm *tmp; //时间结构体

t = time(NULL);

tmp = localtime(&t);

strftime(buf, sizeof(buf), "%Y-%m-%d %H:%M:%S", tmp);

for (int i = 0; i < 128; i++) //存时间

{

f->datetime[i] = buf[i];

}

}

//创建位示图

void byteCreat()

{

srand((unsigned)time(NULL));

for (int i = 0; i < 8; i++)

{

for (int j = 0; j < 8; j++)

{

b[i][j] = rand() % 2; //随机生成位示图 0表未用，1表已用

printf("%d ", b[i][j]); //打印出来

//修改一下把-2表示未用

if (b[i][j] == 0)

{

FAT[i * 8 + j] = -2; //未被占；

}

else if (b[i][j] == 1)

{

FAT[i * 8 + j] = -1; //-1：被占

}

}

printf("\n");

}

printf("\n***FAT表的初始值如下：\n");

printf("\n");

for (int i = 0; i < 64; i++)

{

printf("%3d ", FAT[i]);

if (i != 0 && ((i + 1) % 8 == 0))

{

printf("\n");

}

}

printf("\n");

}

// 2、寻找空位置

int findNULL()

{

int a = 0; //哨兵

int x; //转化为盘块号

int m[100];

for (int k = 0; k < F_SIZE; k++)

{

a = 0;

for (int i = 0; i < 8; i++) //第一行0,一趟就找一个0，而且是最先出现的0.

{

for (int j = 0; j < 8; j++)

{

if (b[i][j] == 0)

{

x = i * 8 + j; //转化为盘块号

m[k] = x; //存入第一个盘块位置

b[i][j] = 1;

a = 1;

break;

}

}

if (a == 1)

break; //跳出第二层循环

}

}

printf("\n\n-------找到的盘块位置如下------\n\n");

for (int k = 0; k < F_SIZE; k++)

{

printf("%d,", m[k]);

}

//创建FAT表

for (int k = 0; k < F_SIZE; k++)

{

int y = 0;

y = m[k]; //当k=0时，把第一个盘块号给Y，

FAT[y] = m[k + 1]; //第盘块Y号指向下一个盘块号，所以FAT[y]的值代表下一个盘块号位置

printf("\nFAT[y]下一个盘块是：%d\n", FAT[y]);

//最后一个没有下一个盘块位置

if (k == F_SIZE - 1)

{

FAT[y] = -1; //外存起始位置 -1被占 -2未被占,最后一个没有下一个盘块位置

printf("\nFAT[y]下一个盘块是：%d\n", FAT[y]);

}

//最后一个没有下一个盘块位置

}

return m[0];

}

// 3、创建目录

void create_Dir(int a)

{

char name[10];

F *np = p;

printf("请输入目录或文件的名字\n");

scanf(" %s", name);

F *f = (F *)malloc(sizeof(F)); //新建空白目录

strcpy(f->name, name);

//赋值

//-------创文件--------

if (a == 1) // ，1表示文件

{

int f_size;

printf("\n请输入文件大小(单位B):");

scanf("%d", &f_size);

f->size = f_size;

F_SIZE = (f_size - 1) / 10; //向下取整，算个需要多少盘块

f->read = 0;

// F_SIZE_LIST[COUNT] = F_SIZE; //将这个文件需要的盘块数存入数组中

COUNT++; //文件数加一

f->type = 1; //写入类型

f->first = findNULL(); //找空位置,返回x,x是第一个磁盘号（位置）

printf("\n----找到的起始位置是:%d\n\n", f->first);

}

//----------创目录---------

if (a == 2) // 2表示目录

{

f->type = 2;

f->first = -2;

f->size = 0;

}

getTime(f);

f->child = NULL;

f->next = NULL;

f->parent = np; // np当前目录

if (np->child == NULL)

{

np->child = f;

}

//当前使用用的是链表进行存储文件的，映射成一棵树，

//在当前目录创建，需要找到一个结点，该结点的兄弟结点为空时，插入，就是在最后插入

else //进入当前子目录

{

np = np->child; //指向第一个目录或文件，假设为F1

if (a == 2)

{

if (np->type == 2) //目录

{

//有两个情况，1是建在目录和文件，2是建在目录与目录中（正常情况）

while (np->next != NULL) //指当前F1的兄弟结点不为空

{

if (np->type == 2 && np->next->type == 1) //新建在目录和文件中间

{

break;

}

np = np->next; //指向下一个，继续找兄弟节点直到找到没有兄弟结点的位置，也就是末尾。

}

//没有兄弟节点位置，末尾插入，

f->next = np->next;

np->next = f;

}

}

else if (a == 1) //文件的，同理

{

while (np->next != NULL)

{

np = np->next;

}

f->next = np->next;

np->next = f;

}

}

}

// 4、更新当前光标所在位置（就是路径）

void updatelujing() //更新当前光标所在位置（就是路径）

{

F *np = p; //将np指向当前目录 ，FCB

F a[100]; //临时存储文件或目录信息结构体数组

int count = 0; // 局部变量??

while (np->parent != NULL) //如果父结点不为空，第一次未创建文件或目录时不会执行

{

a[count] = *np; //将当前信息存入数组a中

np = np->parent; // np从当前位置一直往上找父节点，直到根目录就结束

count++; //???

}

//输出当前目录前的路径，除了它本身，这样是为了可以输出root\>

for (int i = count - 1; i > 0; i--)

{

printf("%s\\", a[i].name);

}

//输出当前目录的名字。

printf("%s\\", p->name); // p是当前目录，没有创建目录时，p->name为root

printf(">"); //最后打印出来就是 root\>

}

//初始化根目录

void initdir()

{

F *f = (F *)malloc(sizeof(F)); //开辟一个FCB,根目录

//初始化根目录 独立出来

strcpy(f->name, "root");

f->type = 2; // 2表目录

f->size = 0; //大小为0

getTime(f); //获取创建时的时间

f->child = NULL; //孩子结点为空

f->next = NULL; //下一个兄弟节点

f->parent = NULL; //父节点

f->first = -2;

p = f; // p指向当前目录，p指向根目录

}

void delDir(char *name) //删除空目录，删除当前目录的一级子目录，且为空目录

{

int flag = 0;

F *np = p;

if (np->child == NULL) //当前目录下的

printf("无此目录\n");

else

{

np = np->child;

if (strcmp(np->name, name) == 0 && np->child == NULL) //为第一个，当前的子目录

{

p->child = np->next;

free(np);

printf("成功删除此目录\n");

flag = 1;

}

else

{

while (np->next != NULL) //找到要删除的前一个并且为空文件夹

{

if (strcmp(np->next->name, name) == 0 && np->next->child == NULL)

{

np->next = np->next->next; //把当前np的兄弟结点指向要删除的兄弟结点，后一个目录往前移

flag = 1;

printf("成功删除此目录\n");

break;

}

np = np->next;

}

}

if (flag == 0)

{

printf("删除失败！无当前目录或当前目录不为空\n");

}

}

}

//输出当前目录下的文件或目录

void printNow()

{

F *np = p;

if (p->child == NULL)

{

printf("当前文件夹为空\n");

}

else

{

np = np->child;

// printf("%s <DIR> .\n", np->parent->datetime);

printf("%s <DIR> ..\n", np->parent->datetime);

while (np != NULL)

{

printf("%s 类型：%d 名字:%s\n", np->datetime, np->type, np->name);

np = np->next;

}

}

}

//删除文件

void delFile(char *name)

{

int flag = 0;

F *np = p;

if (np->child == NULL)

printf("无此文件\n");

else

{

np = np->child;

if (strcmp(np->name, name) == 0) //为第一个

{

if (np->read == 0)

{

printf("\n文件状态%d \n", np->read);

p->child = np->next;

printf("\n成功删除此文件\n");

updateTable(np->first, np->size); //更新fat表

flag = 1;

}

else

{

printf("\n文件状态%d \n", np->read);

flag = 1;

printf("\n文件已经打开，请关闭再删除！\n");

printf("删除失败！\n\n");

}

}

else

{

while (np->next != NULL)

{

if (strcmp(np->next->name, name) == 0) //找到前一个，要删除的

{

if (np->next->read == 0)

{

printf("\n文件状态%d \n", np->next->read);

updateTable(np->next->first, np->next->size); //更新fat表

np->next = np->next->next;

flag = 1;

printf("成功删除此文件\n");

break;

}

else

{

printf("\n文件状态%d \n", np->next->read);

flag = 1;

printf("\n文件已经打开，请关闭再删除！\n");

printf("删除失败！\n\n");

}

}

np = np->next;

}

}

if (flag == 0)

{

printf("删除失败！无当前目录或当前目录不为空\n");

}

}

}

//更新FAT表和位示图

int updateTable(int first, int size) //更新FAT表

{

int next = first; // 第一个盘号

int p_count = (size - 1) / 10;

int m[50]; //临时数组，存该文件的每个盘块号

//m[0] = next;

int count = 0;

//找到所有盘块号，存入m

int i = next;

while (1)

{

// if (FAT[i] != -2 && FAT[i] != -1) //不为-2

int j = FAT[i];

m[count] = i;

count++;

i = j;

if (j == -1)

{

break;

}

}

//修改FAT

for (int i = 0; i < p_count; i++)

{

FAT[m[i]] = -2;

}

//修改位示图

for (int i = 0; i < p_count; i++)

{

b[m[i] / 8][m[i] % 8] = 0;

}

return 0;

}

//

void cdir(char *name) //切换目录下一个目录

{

F *np = p;

np = np->child; //让np指向当前目录的孩子结点（下一级目录或文件）

if (strcmp(np->name, name) == 0) //判断两个是否相等

{

p = np; //找到并进入，当前目录p就为np

}

else

{

while (strcmp(np->name, name) != 0)

{ //不等于，就找下一个

np = np->next; //找其

if (strcmp(np->name, name) == 0) //找到就进入

{

p = np; //找到并进入

break;

}

if (np == NULL) //全部遍历完，都没有找到

{

printf("未找到此目录");

break;

}

}

}

}

//显示位示图

void byteShow()

{

for (int i = 0; i < 8; i++)

{

for (int j = 0; j < 8; j++)

{

printf("%d ", b[i][j]);

}

printf("\n");

}

}

void fatShow() //文件配置表

{

printf("\n");

printf("\n-------FAT表如下:\n");

for (int i = 0; i < 64; i++)

{

printf("%3d ", FAT[i]);

if (i != 0 && ((i + 1) % 8 == 0))

{

printf("\n");

}

}

printf("\n");

}

void openfile(char *name) //打开文件

{

F *np = p;

np = np->child; //让np指向当前目录的孩子结点（下一级目录或文件）

if (strcmp(np->name, name) == 0) //判断两个是否相等

{

np->read = 1; //标记状态已读

}

else

{

while (strcmp(np->name, name) != 0)

{ //不等于，就找下一个

np = np->next; //找其

if (strcmp(np->name, name) == 0) //找到就进入

{

// p = np; //找到并进入

np->read = 1; //标记状态已打开

printf("\n文件已经打开！\n");

break;

}

if (np == NULL) //全部遍历完，都没有找到

{

printf("未找到此目录");

break;

}

}

}

}

void closefile(char *name) //关闭文件

{

F *np = p;

np = np->child; //让np指向当前目录的孩子结点（下一级目录或文件）

if (strcmp(np->name, name) == 0 && np->type == 1) //判断两个是否相等,且为文件

{

np->read = 0; //标记状态已读

}

else

{

while (strcmp(np->name, name) != 0)

{ //不等于，就找下一个

np = np->next; //找其

if (strcmp(np->name, name) == 0 && np->type == 1) //找到就进入

{

// p = np; //找到并进入

np->read = 0; //标记状态已关闭

printf("\n文件已经关闭！\n");

break;

}

if (np == NULL) //全部遍历完，都没有找到

{

printf("未找到此目录");

break;

}

}

}

}

//菜单

void menu()

{

char choise[10];

char f_name[10];

int flag = 1;

while (flag)

{

printf("\n*************文件系统***************************\n");

printf(" 1.md（创建目录）\n");

printf(" 2.rd（删除目录）\n");

printf(" 3.dir（列出当前目录下信息）\n");

printf(" 4.mk（创建文件）\n");

printf(" 5.del（删除文件）\n");

printf(" 6.cd（切换目录）\n");

printf(" 7.cd..（返回上一级）\n");

printf(" 8.fat（展示文件分配表FAT）\n");

printf(" 9.show（展现位示图）\n");

printf(" 10.open（打开文件）\n");

printf(" 11.close（关闭文件）\n");

printf("*************************************************\n\n");

do

{

//更新当前所在(当前所在路径）*

updatelujing();

scanf("%s", &choise);

//创建目录*

if (strcmp(choise, "md") == 0)

{

create_Dir(2); // 2为目录，1为文件

}

//删除空目录*

else if (strcmp(choise, "rd") == 0)

{

//printf("请输入需要删除的文件名\n");

scanf("%s", f_name);

delDir(f_name);

}

//显示当前目录下目录或文件*

else if (strcmp(choise, "dir") == 0) //

{

printNow();

}

//创建文件*

else if (strcmp(choise, "mk") == 0)

{

create_Dir(1); // 1为文件

}

//删除文件*

else if (strcmp(choise, "del") == 0)

{

//printf("请输入需要删除的文件名\n");

scanf("%s", f_name);

delFile(f_name); //删除文件

}

//切换下一级目录*

else if (strcmp(choise, "cd") == 0)

{

//printf("请输入目录名\n");

scanf(" %s", f_name);

cdir(f_name);

}

//切换上一级*

else if (strcmp(choise, "cd..") == 0)

{

p = p->parent; //直接让当前目录的指针指向父节点。

}

//展示FAT*

else if (strcmp(choise, "fat") == 0)

{

fatShow();

}

//展示位示图*

else if (strcmp(choise, "show") == 0)

{

byteShow();

}

else if (strcmp(choise, "open") == 0) //读文件

{

//printf("请输入需要读的文件名\n");

scanf("%s", f_name);

openfile(f_name);

}

else if (strcmp(choise, "close") == 0) //写文件

{

//printf("请输入需要关闭的文件名\n");

scanf("%s", f_name);

closefile(f_name);

}

} while (flag == 1);

}

}

int main()

{

printf("\n------初始化根目录中...\n");

initdir(); //初始化根目录

printf("****初始化位示图\n");

byteCreat(); //创建位示图

menu(); //菜单

return 0;

}

六、运行结果

1、进入系统初始界面

2、测试数据

（1）创建目录

测试在根目录root下创建两个子目录11和22，在子目录11中在创建子目录111。结果如下：

（2）删除空目录

测试删除目录，删除目录11，和目录222，只有空目录才能删除。测试结果如下：

（3）切换目录

（4）创建文件

在根目录下创建qq.txt 文件，大小为32B测试结果如下：

在11目录下新建文件ww.txt 大小为21B，测试结果如下：

（5）删除文件

测试在11目录下删除已打开的ww.txt文件，文件打开状态不能删除文件，关闭后才能删除。测试结果如下：

（6）打开文件

打开ww.txt文件，测试结果如下：

（7）关闭文件

关闭qq.txt文件，测试结果如下：

七、课设总结：

        本次课程设计的选题是文件管理，在此次课程设计中收获颇多。不仅加深了对操作系统这门课程的理解，通过实操还将课本上的知识、对文件管理所涉及的思想应用到实际的开发上。在此次设计过程中也遇到了一些问题及其解决方案如下：

（1）最开始新建文件时，是固定了每个文件只能占3个盘块，后来发现这是一个可以改进的缺陷，于是在FCB结构体中在定义了一个代表文件大小的属性size,然后模拟的一个磁盘大小是10B，一共64个磁盘。通过对向上取整根据每个文件大小计算需要多少个盘块，即F_SIZE=(size-1) /10.这样就得到F_SIZE每个文件所需的盘块数。最后利用三重for循环将所需的盘块，每次找到一个空闲磁盘块就结束，寻找第二个时从头开始找。找到并存入临时数组m[100]中。其中在查找空闲磁盘块中也是存在缺陷的，时间复杂度较高。还有改进的空间，可改成找到所有所需的磁盘块在结束，即寻找第二个盘块就无需从头开始。

（2）在新建文件后更改FAT表时也存在一些缺陷。原先设计的FAT表中如果FAT[i]为大于0的数就是代表盘块号，在后续的开发中发现，当需要寻找每个文件存储在哪个盘块时比较麻烦，后来回归课本，发现可以使用索引的方式可以快速的、准确的找到每个文件所占用的盘块号，即FAT[i]表示下一个盘块号，i表示文件的第一个盘块号。

（3）在删除文件后需要更改FAT表及位示图中也遇到一些麻烦。因为FAT[i]表示的含义下一个盘块号，就无法使用简单的遍历FAT表找到就将其修改。因为这个问题想了很久，最终找到了解决方法，具体实现是这样的，先取出该文件的一个盘块号first和文件大小，计算该文件需要多少个盘块记为F_SIZE,利用while循环在循环中定义一个变量j，存FAT[i]的值，即索引的下一个盘块号，i=first即最开始为第一个盘块号，先将i存储在临时数组m[ ]中，然后使i=j,继续进入下一次循环，直到j=-1，( 即FAT[i]=-1表示最后一个磁盘没有索引号了 )，故结束循环.最后利用m数组修改FAT和位示图。