用C++实现一个简单的文件系统，能正确描述文件控制块，采用合理的分配方式，实现目录及文件的操作，包括创建、分配、删除、回收等功能，并采用位示图管理空闲盘块。

实现一个简单的文件系统需要考虑以下几个方面：

1. 文件控制块（FCB）的设计
2. 空闲盘块的管理
3. 目录的操作（创建、删除等）
4. 文件的操作（创建、打开、读写等）

下面我将分别介绍这几个方面的实现。

1. 文件控制块（FCB）的设计

FCB是文件系统中最重要的元素之一，它记录了每个文件的属性和位置信息。一个典型的FCB应包括以下信息：

- 文件名：文件的名称。
- 文件类型：文件的类型（例如，文本文件、图像文件等）。
- 文件大小：文件的大小（以字节为单位）。
- 创建时间：文件的创建时间。
- 修改时间：文件的最后修改时间。
- 访问时间：文件的最后访问时间。
- 直接盘块地址：文件的前N个盘块的地址。
- 一级间接盘块地址：文件的第N+1个盘块的地址，用于存储指向其余盘块的指针。
- 二级间接盘块地址：文件的第N+2个盘块的地址，用于存储指向一级间接盘块的指针。

2. 空闲盘块的管理

为了管理空闲盘块，我们可以使用位示图（bit map）来表示每个盘块的状态（是否空闲）。位示图通常是一个数组，其中的每个元素都对应于一个盘块。如果某个盘块是空闲的，则对应的数组元素为0；否则为1。当需要分配一个新的盘块时，我们只需要在位示图中找到第一个为0的元素，并将其置为1即可。

3. 目录的操作

目录是文件系统中组织文件的一种方式。在一个目录中，可以包含其他目录和文件。为了实现目录的操作，我们需要设计一个目录项（directory entry）结构体，它应包含以下信息：

- 文件名：目录项对应的文件名。
- 文件类型：目录项对应的文件类型。
- 直接盘块地址：目录项对应的文件的直接盘块地址。

在文件系统中，根目录是最顶层的目录，通常被命名为“/”。我们可以在根目录下创建其他目录，并在这些目录中创建文件。

4. 文件的操作

在文件系统中，文件的操作包括创建文件、打开文件、读取文件、写入文件和关闭文件等。为了实现这些操作，我们需要设计以下数据结构：

- 文件描述符（file descriptor）：每个打开的文件都有一个文件描述符，它记录了文件的位置信息、读写权限等。
- 缓冲区（buffer）：由于磁盘读写速度较慢，我们通常会在内存中创建一个缓冲区，来加速文件的读写。

下面是一个简单的文件系统实现的示例代码，供参考：

#include <iostream>
#include <string>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <bitset>
#include <ctime>

using namespace std;

const int BLOCK_SIZE = 1024; // 盘块大小
const int BLOCK_NUM = 1024; // 盘块数量
const int INODE_NUM = 128; // i节点数量
const int NAME_LEN = 20; // 文件名长度
const int DIR_PER_BLOCK = BLOCK_SIZE / sizeof(DirectoryEntry); // 每个目录块中最多可以存储的目录项数量

struct INode {
    char name[NAME_LEN]; // 文件名
    char type[NAME_LEN]; // 文件类型
    int size; // 文件大小
    time_t createTime; // 创建时间
    time_t modifyTime; // 修改时间
    time_t accessTime; // 访问时间
    int directBlockAddr[10]; // 直接盘块地址
    int indirectBlockAddr[2]; // 一级和二级间接盘块地址
};

struct DirectoryEntry {
    char name[NAME_LEN]; // 文件名
    char type[NAME_LEN]; // 文件类型
    int inodeNum; // i节点号
};

struct FileDescriptor {
    int inodeNum; // i节点号
    int offset; // 文件位置
    bool read; // 是否可读
    bool write; // 是否可写
};

struct Buffer {
    int blockNum; // 缓冲区对应的盘块号
    char data[BLOCK_SIZE]; // 缓冲区数据
    bool dirty; // 缓冲区是否已修改
};

vector<INode> inodeTable(INODE_NUM); // i节点表
vector<DirectoryEntry> rootDir(BLOCK_SIZE / sizeof(DirectoryEntry)); // 根目录
vector<Buffer> bufferPool(BLOCK_NUM); // 缓冲区池
bitset<BLOCK_NUM> freeBlock; // 空闲盘块位示图

int findEmptyINode() {
    for (int i = 0; i < INODE_NUM; i++) {
        if (inodeTable[i].name[0] == 0) {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

int findEmptyBlock() {
    for (int i = 0; i < BLOCK_NUM; i++) {
        if (!freeBlock[i]) {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

void writeBlock(int blockNum, char* data) {
    fstream fs("disk", ios::in | ios::out | ios::binary);
    fs.seekp(blockNum * BLOCK_SIZE);
    fs.write(data, BLOCK_SIZE);
    fs.close();
}

void readBlock(int blockNum, char* data) {
    fstream fs("disk", ios::in | ios::binary);
    fs.seekg(blockNum * BLOCK_SIZE);
    fs.read(data, BLOCK_SIZE);
    fs.close();
}

int getBlockAddr(int inodeNum, int blockNum) {
    int addr = inodeTable[inodeNum].directBlockAddr[blockNum];
    if (addr == -1) {
        int indirectBlockNum = blockNum - 10;
        int indirectBlockAddr = inodeTable[inodeNum].indirectBlockAddr[indirectBlockNum / DIR_PER_BLOCK];
        if (indirectBlockAddr == -1) {
            indirectBlockAddr = findEmptyBlock();
            inodeTable[inodeNum].indirectBlockAddr[indirectBlockNum / DIR_PER_BLOCK] = indirectBlockAddr;
            freeBlock[indirectBlockAddr] = 1;
        }
        readBlock(indirectBlockAddr, (char*)bufferPool[indirectBlockAddr].data);
        addr = *(int*)(bufferPool[indirectBlockAddr].data + (indirectBlockNum % DIR_PER_BLOCK) * sizeof(int));
        if (addr == -1) {
            addr = findEmptyBlock();
            *(int*)(bufferPool[indirectBlockAddr].data + (indirectBlockNum % DIR_PER_BLOCK) * sizeof(int)) = addr;
            bufferPool[indirectBlockAddr].dirty = true;
            freeBlock[addr] = 1;
        }
        inodeTable[inodeNum].directBlockAddr[blockNum] = addr;
    }
    return addr;
}

void writeINode(int inodeNum) {
    int blockNum = inodeNum / (BLOCK_SIZE / sizeof(INode));
    int offset = inodeNum % (BLOCK_SIZE / sizeof(INode));
    readBlock(blockNum, (char*)bufferPool[blockNum].data);
    *(INode*)(bufferPool[blockNum].data + offset * sizeof(INode)) = inodeTable[inodeNum];
    bufferPool[blockNum].dirty = true;
}

int readINode(int inodeNum) {
    int blockNum = inodeNum / (BLOCK_SIZE / sizeof(INode));
    int offset = inodeNum % (BLOCK_SIZE / sizeof(INode));
    readBlock(blockNum, (char*)bufferPool[blockNum].data);
    inodeTable[inodeNum] = *(INode*)(bufferPool[blockNum].data + offset * sizeof(INode));
    return blockNum;
}

int findFileInDir(vector<DirectoryEntry>& dir, string filename) {
    for (int i = 0; i < dir.size(); i++) {
        if (dir[i].name == filename) {
            return dir[i].inodeNum;
        }
    }
    return -1;
}

int findEmptyDirEntry(vector<DirectoryEntry>& dir) {
    for (int i = 0; i < dir.size(); i++) {
        if (dir[i].name[0] == 0) {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

int createFile(string filename, string filetype) {
    int inodeNum = findEmptyINode();
    if (inodeNum == -1) {
        return -1;
    }
    int dirEntryNum = findEmptyDirEntry(rootDir);
    if (dirEntryNum == -1) {
        return -1;
    }
    int blockNum = findEmptyBlock();
    if (blockNum == -1) {
        return -1;
    }
    freeBlock[blockNum] = 1;
    rootDir[dirEntryNum].inodeNum = inodeNum;
    strcpy_s(rootDir[dirEntryNum].name, filename.c_str());
    strcpy_s(rootDir[dirEntryNum].type, filetype.c_str());
    inodeTable[inodeNum].size = 0;
    inodeTable[inodeNum].createTime = time(NULL);
    inodeTable[inodeNum].modifyTime = time(NULL);
    inodeTable[inodeNum].accessTime = time(NULL);
    inodeTable[inodeNum].directBlockAddr[0] = blockNum;
    for (int i = 1; i < 10; i++) {
        inodeTable[inodeNum].directBlockAddr[i] = -1;
    }
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        inodeTable[inodeNum].indirectBlockAddr[i] = -1;
    }
    writeBlock(blockNum, (char*)bufferPool[blockNum].data);
    writeINode(inodeNum);
    return inodeNum;
}

int openFile(string filename, bool read, bool write) {
    int inodeNum = findFileInDir(rootDir, filename);
    if (inodeNum == -1) {
        return -1;
    }
    FileDescriptor fd;
    fd.inodeNum = inodeNum;
    fd.offset = 0;
    fd.read = read;
    fd.write = write;
    return 0;
}

int writeToFile(int fd, char* data, int len) {
    FileDescriptor& fileDesc = *(FileDescriptor*)&bufferPool[fd].data;
    INode& inode = inodeTable[fileDesc.inodeNum];
    int blockNum = fileDesc.offset / BLOCK_SIZE;
    int offsetInBlock = fileDesc.offset % BLOCK_SIZE;
    int bytesWritten = 0;
    while (bytesWritten < len) {
        if (inode.size < (blockNum + 1) * BLOCK_SIZE) {
            int blockAddr = getBlockAddr(fileDesc.inodeNum, blockNum);
            readBlock(blockAddr, bufferPool[blockAddr].data);
            int bytesToWrite = min(len - bytesWritten, BLOCK_SIZE - offsetInBlock);
            memcpy(bufferPool[blockAddr].data + offsetInBlock, data + bytesWritten, bytesToWrite);
            bufferPool[blockAddr].dirty = true;
            bytesWritten += bytesToWrite;
            fileDesc.offset += bytesToWrite;
            inode.size += bytesToWrite;
            inode.modifyTime = time(NULL);
        }
        else {
            int indirectBlockNum = blockNum - 10;
            int indirectBlockAddr = inode.indirectBlockAddr[indirectBlockNum / DIR_PER_BLOCK];
            if (indirectBlockAddr == -1) {
                indirectBlockAddr = findEmptyBlock();
                inode.indirectBlockAddr[indirectBlockNum / DIR_PER_BLOCK] = indirectBlockAddr;
                freeBlock[indirectBlockAddr] = 1;
                writeINode(fileDesc.inodeNum);
            }
            readBlock(indirectBlockAddr, bufferPool[indirectBlockAddr].data);
            int* blockAddrPtr = (int*)(bufferPool[indirectBlockAddr].data + (indirectBlockNum % DIR_PER_BLOCK) * sizeof(int));
            if (*blockAddrPtr == -1) {
                *blockAddrPtr = findEmptyBlock();
                freeBlock[*blockAddrPtr] = 1;
                writeBlock(indirectBlockAddr, bufferPool[indirectBlockAddr].data);
            }
            blockNum++;
            offsetInBlock = 0;
        }
    }
    return bytesWritten;
}

int readFromFile(int fd, char* buff, int len) {
    FileDescriptor& fileDesc = *(FileDescriptor*)&bufferPool[fd].data;
    INode& inode = inodeTable[fileDesc.inodeNum];
    int blockNum = fileDesc.offset / BLOCK_SIZE;
    int offsetInBlock = fileDesc.offset % BLOCK_SIZE;
    int bytesRead = 0;
    while (bytesRead < len) {
        if (inode.size <= blockNum * BLOCK_SIZE) {
            break;
        }
        int blockAddr = getBlockAddr(fileDesc.inodeNum, blockNum);
        readBlock(blockAddr, bufferPool[blockAddr].data);
        int bytesToRead = min(len - bytesRead, BLOCK_SIZE - offsetInBlock);
        memcpy(buff + bytesRead, bufferPool[blockAddr].data + offsetInBlock, bytesToRead);
        bytesRead += bytesToRead;
        fileDesc.offset += bytesToRead;
        offsetInBlock += bytesToRead;
        if (offsetInBlock >= BLOCK_SIZE) {
            blockNum++;
            offsetInBlock = 0;
        }
    }
    inode.accessTime = time(NULL);
    return bytesRead;
}

void closeFile(int fd) {
    bufferPool[fd].dirty = false;
}

void deleteFile(string filename) {
    int inodeNum = findFileInDir(rootDir, filename);
    if (inodeNum == -1) {
        return;
    }
    INode& inode = inodeTable[inodeNum];
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        if (inode.directBlockAddr[i] != -1) {
            freeBlock[inode.directBlockAddr[i]] = 0;
            inode.directBlockAddr[i] = -1;
        }
    }
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        if (inode.indirectBlockAddr[i] != -1) {
            readBlock(inode.indirectBlockAddr[i], (char*)bufferPool[inode.indirectBlockAddr[i]].data);
            for (int j = 0; j < BLOCK_SIZE / sizeof(int); j++) {
                int blockAddr = *(int*)(bufferPool[inode.indirectBlockAddr[i]].data + j * sizeof(int));
                if (blockAddr != -1) {
                    freeBlock[blockAddr] = 0;
                }
            }
            freeBlock[inode.indirectBlockAddr[i]] = 0;
            inode.indirectBlockAddr[i] = -1;
        }
    }
    inode.name[0] = 0;
    inode.type[0] = 0;
    inode.size = 0;
    inode.createTime = 0;
    inode.modifyTime = 0;
    inode.accessTime = 0;
    writeINode(inodeNum);
    for (int i = 0; i < rootDir.size(); i++) {
        if (rootDir[i].inodeNum == inodeNum) {
            rootDir[i].inodeNum = -1;
            rootDir[i].name[0] = 0;
            rootDir[i].type[0] = 0;
            break;
        }
    }
}

int main() {
    // 初始化空闲盘块位示图
    freeBlock.reset();
    freeBlock[0] = 1; // 第0块是引导块，已使用
    freeBlock[1] = 1; // 第1块是超级块，已使用
    for (int i = 2; i < 10; i++) {
        freeBlock[i] = 1; // 前10块是i节点表和位示图，已使用
    }
    freeBlock[10] = 1; // 第10块是根目录块，已使用

    // 初始化根目录
    rootDir[0].inodeNum = 0;
    strcpy_s(rootDir[0].name, "/");
    strcpy_s(rootDir[0].type, "dir");

    // 初始化i节点表
    for (int i = 0; i < INODE_NUM; i++) {
        inodeTable[i].name[0] = 0;
        inodeTable[i].type[0] = 0;
        inodeTable[i].size = 0;
        inodeTable[i].createTime = 0;
        inodeTable[i].modifyTime = 0;
        inodeTable[i].accessTime = 0;
        for (int j = 0; j < 10; j++) {
            inodeTable[i].directBlockAddr[j] = -1;
        }
        for (int j = 0; j < 2; j++) {
            inodeTable[i].indirectBlockAddr[j] = -1;
        }
    }

    // 初始化缓冲区池
    for (int i = 0; i < BLOCK_NUM; i++) {
        bufferPool[i].blockNum = i;
        bufferPool[i].dirty = false;
    }

    // 初始化文件系统
    fstream fs("disk", ios::out | ios::binary);
    fs