17. 【解答】
2026 旧版 · 非 2027 主源 · 原书检索 · 文字用于定位，公式与图表请回原页核验 · 本次导入快照
## 17. 【解答】
1）页和页框大小均为 $4\mathrm{KB}$。进程的虚拟地址空间大小为 $2^{32} / 2^{12} = 2^{20}$ 页。
2）$(2^{10} \times 4) / 2^{12}$（页目录所占页数）+ $(2^{20} \times 4) / 2^{12}$（页表所占页数）= 1025 页。页目录占用的物理页面数 = (页目录项数 × 页目录项大小)/物理页面大小 = $(2^{10} \times 4) / 2^{12} = 1$ 页。虚拟地址空间中的高 20 位表示有多少个页面，所以进程的页面数为 $2^{20}$，因此页表总大小为 $2^{20} \times 4\mathrm{B}$，存放页表需要 $(2^{20} \times 4) / 2^{12} = 1024$ 页。因此，页目录和页表共占 $1 + 1024 = 1025$ 页。
3）需要访问一个二级页表。因为虚拟地址01000000H和01112048H的最高10位的值都是4，访问的是同一个二级页表。
## 18. 【解答】
1）函数 $\Pi$ 的代码段中，所有指令的虚拟地址的高20位相同，因此 $\Pi$ 的机器指令代码在同一页中，仅占用1页。页目录号用于寻找页目录的表项，该表项包含页表的位置。页表索引用于寻找页表的表项，该表项包含页的位置。
2）push ebp 指令的虚拟地址的最高10位（页目录号）为000000001，中间10位（页表索引）为000000001，所以取该指令时访问了页目录的1号表项，在对应的页表中访问了1号表项。
3）在执行 scanf()的过程中，进程P因等待输入而从执行态变为阻塞态。输入结束时，P被中断处理程序唤醒，变为就绪态。P被调度程序调度，变为运行态。CPU状态会从用户态变为内核态。
## 19. 【解答】
1）由图可知，地址总长度为32位，高20位为虚页号，低12位为页内地址，且虚页号高10位为页目录号，低10位为页号。展开成二进制表示为
因此十六进制表示为01806008H。
2）PDBR为页目录基址地址寄存器（Page-Directory Base Register），其存储页目录表物理内存基地址。进程切换时，PDBR的内容会变化；同一进程的线程切换时，PDBR的内容不会变化。每个进程的地址空间、页目录和PDBR的内容存在一一对应的关系。进程切换时，地址空间发生了变化，对应的页目录及其始址也相应变化，因此需要用进程切换后当前进程的页目录始址刷新PDBR。同一进程中的线程共享该进程的地址空间，其线程发生切换时，地址空间不变，线程使用的页目录不变，因此PDBR的内容也不变。
3）改进型 CLOCK 置换算法需要用到使用位和修改位，所以需要设置访问字段（使用位）
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和修改字段（脏位）。
## 20. 【解答】
1)
① 页面大小 = 2¹²B = 4096B = 4KB。每个数组元素 4B，每个页面可以存放 4KB/4B = 1024 个数组元素，正好是数组的一行，数组 a 按行优先方式存放。1080 0000H 的虚页号为 10800H，因此 a[0]行存放在虚页号为 10800H 的页面中，a[1]行存放在页号为 10801H 的页面中。a[1][2]的虚拟地址为 10801 000H + 4×2 = 10801 008H。
② 转换为二进制 0001000010 0000000001 000000001000，根据虚拟地址结构可知，对应的页目录号为 042H，页号为 001H。
③ 进程的页目录表始址为 0020 1000H，每个页目录项长 4B，因此 042H 号页目录项的物理地址是 0020 1000H + 4×42H = 0020 1108H。
④ 页目录项存放的页框号为 00301H，二级页表的始址为 00301 000H，因此 a[1][2]所在页的页号为 001H，每个页表项 4B，因此对应的页表项物理地址是 00301 000H + 001H×4 = 00301 004H。
2）根据数组的随机存取特点，数组 a 在虚拟地址空间中所占的区域必须连续，因为数组 a 不止占用一页，相邻逻辑页在物理上不一定相邻，所以数组 a 在物理地址空间中所占的区域可以不连续。
3）由 1）可知每个页面正好可以存放一整行的数组元素，“按行优先方式存放”意味着数组的同一行的所有元素都存放在同一个页面中，同一列的各个元素都存放在不同的页面中，因此数组 a 按行遍历的局部性较好。
## 21. 【解答】
1）页表项的虚拟地址为 B8C0 0000H + 48H << 2 = B8C0 0120H。页表项的物理地址为 6540 0000H + 48H << 2 = 6540 0120H。相应页表项中的页框号为 BAB4 5678H >> 22 = 2EAH。
2）进程 P 的页表所在页的页号为 B8C0 0000H >> 22 = 2E3H。页表项的虚拟地址为 B8C0 0000H + 2E3H << 2 = B8C0 0B8CH。页表项中的页框号为 6540 0000H >> 22 = 195H。
注意，符号“<<”表示左移操作，符号“>>”表示右移操作。将二进制数左移 1 位，与“乘以 2”的效果等价。页表项中的页框号为物理地址的前 10 位可以通过右移 22 位得到。
## 3.3 本章疑难点
分页管理方式和分段管理方式在很多地方是相似的，比如在内存中都是不连续的、都有地址变换机构来进行地址映射等。但两者也存在许多区别，表 3.6 列出了两种方式的对比。
表 3.6 分页管理方式和分段管理方式的比较
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# 文件管理
## 【考纲内容】
### （一）文件
文件的基本概念；文件元数据和索引节点（inode）
文件的操作：建立，删除，打开，关闭，读，写
文件的保护：文件的逻辑结构；文件的物理结构
### （二）目录
目录的基本概念；树形目录；目录的操作；硬链接和软链接
### （三）文件系统
文件系统的全局结构（layout）：文件系统在外存中的结构，文件系统在内存中的结构外存空闲空间管理办法；虚拟文件系统；文件系统挂载（mounting）
视频讲解
## 【复习提示】
本章内容较为具体，要注意对概念的理解。重点掌握文件系统的结构及其实现、文件分配和空闲空间管理等。要掌握文件系统的文件控制块、物理分配方法、索引结构、树形目录结构、文件共享原理、文件系统的布局、虚拟文件系统原理等。这些都是统考真题容易考查的内容。
# 4.1 文件系统基础
在学习本节时，请读者思考以下问题：
1）什么是文件？
2）单个文件的逻辑结构和物理结构之间是否存在某些制约关系？
本节内容较为抽象，要注意区分文件的逻辑结构和物理结构。在学习过程中，可尝试以上面的两个问题为线索，构建整个文件系统的概念。在前面的学习中，曾经提醒过读者不要忽略对基本概念的理解。从历年的情况来看，大部分同学对进程管理、内存管理有较好的掌握，但对于文件管理及后面的I/O管理，往往理解不太深入。在考试中，即使面对一些基本问题也容易失分，这十分可惜。主要原因还是对概念的理解不够全面和透彻，希望读者能够关注这个问题。
## 4.1.1 文件的基本概念
文件（File）是以硬盘为载体的存储在计算机上的信息集合，文件可以是文本文档、图片、程序等。在系统运行时，计算机以进程为基本单位进行资源的调度和分配；而在用户进行的输入、输出中，则以文件为基本单位。大多数应用程序的输入都是通过文件来实现的，其输出也都保存在文件中，以便信息的长期存储及将来的访问。当用户将文件用于程序的输入、输出时，还希望
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可以访问、修改和保存文件等，实现对文件的维护管理，这就需要系统提供一个文件管理系统，操作系统中的文件系统（File System）就是用于实现用户的这些管理要求的。
要清晰地理解文件的概念，就要了解文件究竟由哪些东西组成。
## 1. 文件的定义
首先，文件肯定包括一块存储空间，更准确地说，是存储空间中的数据；其次，操作系统要管理大量的数据，因此必须要对这些数据进行分类，所以文件必定包含分类和索引的信息；最后，不同用户对数据的访问权限不同，因此文件中一定包含关于访问权限的信息。
再举一个直观的例子“图书馆管理图书”来类比文件。可以认为，计算机中的一个文件相当于图书馆中的一本书，操作系统管理文件，相当于图书管理员管理图书馆中的书。
首先，一本书的主体一定是书中的内容，相当于文件中的数据；其次，不同类别的书需要放在不同的书库，然后加上编号，再将编号登记在图书管理系统中，方便读者查阅，相当于文件的分类和查找；最后，有些已经绝版或价格比较高的外文书籍，只能借给 VIP 会员或权限比较高的读者，而有些普通的书籍可供任何人借阅，这就是文件中的访问权限。所举例子与实际操作系统中的情形并不等价。但对于某些关键的属性，图书馆管理图书和操作系统管理文件的思想却有相一致的地方，因此通过这种类比可使初学者快速认识陌生的概念。
从用户的角度看，文件系统是操作系统的重要部分之一。用户关心的是如何命名、分类和查找文件，如何保证文件数据的安全性及对文件可以进行哪些操作等。而对于其中的细节，如文件如何存储在辅存上、如何管理文件辅存区域等方面，则关心甚少。
文件系统提供了与二级存储相关的资源的抽象，让用户能在不了解文件的各种属性、文件存储介质的特征及文件在存储介质上的具体位置等情况下，方便快捷地使用文件。用户通过文件系统建立文件，用于应用程序的输入、输出，对资源进行管理。
首先了解文件的结构，我们通过自底向上的方式来定义。
1）数据项。是文件系统中最低级的数据组织形式，可分为以下两种类型：
- 基本数据项。用于描述一个对象的某种属性的一个值，是数据中的最小逻辑单位。
- 组合数据项。由多个基本数据项组成。
2）记录。是一组相关的数据项的集合，用于描述一个对象在某方面的属性。
3）文件。是指由创建者所定义的、具有文件名的一组相关元素的集合，可分为有结构文件和无结构文件两种。在有结构文件中，文件由若干个相似的记录组成，如一个班的学生记录；而无结构文件则被视为一个字符流，比如一个二进制文件或字符文件。
虽然上面给出了结构化的表述，但实际上关于文件并无严格的定义。在操作系统中，通常将程序和数据组织成文件。文件可以是数字、字符或二进制代码，基本访问单元可以是字节或记录。文件可以长期存储在硬盘中，允许可控制的进程间共享访问，能够被组织成复杂的结构。
## 2. 文件的属性
除了文件数据，操作系统还会保存与文件相关的信息，如所有者、创建时间等，这些附加信息称为文件属性或文件无数据。文件属性在不同系统中差别很大，但通常都包括如下属性。
1）名称。文件名称唯一，以容易读取的形式保存。
2）类型。被支持不同类型的文件系统所使用。
3）创建者。文件创建者的 ID。
4）所有者。文件当前所有者的 ID。
5）位置。指向设备和设备上文件的指针。
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6）大小。文件当前大小（用字节、字或块表示），也可包含文件允许的最大值。
7）保护。对文件进行保护的访问控制信息。
8）创建时间、最后一次修改时间和最后一次存取时间。文件创建、上次修改和上次访问的相关信息，用于保护和跟踪文件的使用。
**创建通读** ▶ 文件属性信息的存储位置（2009）
操作系统通过文件控制块（见下一小节）来维护文件元数据。
## 3. 文件的分类
为了便于管理文件，将文件分成了若干类型。不同系统对文件的管理方式不同，因此它们的文件分类方法也有很大差异。下面是几种常见的文件分类方法。
1）按性质和用途分类，分为系统文件、用户文件、库文件。
2）按文件中数据的形式分类，分为源文件、目标文件、可执行文件。
3）按存取控制属性分类，分为可执行文件、只读文件、读/写文件。
4）按组织形式和处理方式分类，分为普通文件、目录文件、特殊文件。
## 4.1.2 文件控制块和索引节点
与进程管理一样，为便于文件管理，引入了文件控制块的数据结构。
### 1. 文件控制块
文件控制块（File Control Block，FCB）是用来存放控制文件需要的各种信息的数据结构，以实现按名存取。文件与FCB一一对应，FCB的有序集合称为文件目录，一个FCB就是一个文件目录项。通常，一个文件目录也被视为一个文件，称为目录文件。每当创建一个新文件，系统就要为其建立一个FCB，用来记录文件的各种属性。图4.1是一个典型的FCB。
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图4.1 一个典型的FCB
FCB主要包含以下信息：
- 基本信息，如文件名、文件的物理位置、文件的逻辑结构、文件的物理结构等。
- 存取控制信息，包括文件主的存取权限、核准用户的存取权限以及一般用户的存取权限。
- 使用信息，如文件建立时间、上次修改时间等。
### 2. 索引节点
**创建通读** ▶ 目录项结构的相关分析与计算（2020、2022）
文件目录通常存放在磁盘上，当文件很多时，文件目录会占用大量的盘块。在查找目录的过程中，要先将存放目录文件的第一个盘块中的目录调入内存，然后用给定的文件名逐一比较，若未找到指定文件，就还需要不断地将下一盘块中的目录项调入内存，逐一比较。我们发现，在检索目录的过程中，只用到了文件名，仅当找到一个目录项（其中的文件名与要查找的文件名匹配）时，才需从该目录项中读出该文件的物理地址。也就是说，在检索目录时，文件的其他描述信息
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不会用到，也不需要调入内存。因此，有的系统（如UNIX，图4.2）便采用了文件名和文件描述信息分离的方法，使文件描述信息单独形成一个称为索引节点的数据结构，简称i节点（inode）。在文件目录中的每个目录项仅由文件名和相应的索引节点号（或索引节点指针）构成。
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图4.2 UNIX的文件目录结构
**剖面测试** 索引节点与文件容量的关系（2018、2020）
假设一个FCB为64B，盘块大小是1KB，则每个盘块中可以存放16个FCB（FCB必须连续存放），若一个文件目录共有640个FCB，则查找文件平均需要启动磁盘20次。而在UNIX系统中，一个目录项仅占16B，其中14B是文件名，2B是索引节点号。在1KB的盘块中可存放64个目录项。这样，可使查找文件的平均启动磁盘次数减少到原来的1/4，大大节省了系统开销。
（1）磁盘索引节点
是指存放在磁盘上的索引节点。每个文件有一个唯一的磁盘索引节点，主要包括以下内容：
- 文件主标识符，拥有该文件的个人或小组的标识符。
- 文件类型，包括普通文件、目录文件或特别文件。
- 文件存取权限，各类用户对该文件的存取权限。
- 文件物理地址，每个索引节点中含有13个地址项，即iaddr(0)~iaddr(12)，它们以直接或间接方式给出数据文件所在盘块的编号（见4.1.6节）。
- 文件长度，指以字节为单位的文件长度。
- 文件链接计数，在本文件系统中所有指向该文件的文件名的指针计数。
- 文件存取时间，本文件最近被进程存取、修改的时间及索引节点最近被修改的时间。
（2）内存索引节点
是指存放在内存中的索引节点。当文件被打开时，要将磁盘索引节点复制到内存的索引节点中，便于以后使用。在内存索引节点中增加了以下内容：
- 索引节点号，用于标识内存索引节点。
- 状态，指示i节点是否上锁或被修改。
- 访问计数，每当有一进程要访问此i节点时，计数加1；访问结束减1。
- 逻辑设备号，文件所属文件系统的逻辑设备号。
- 链接指针，设置分别指向空闲链表和散列队列的指针。
FCB或索引节点相当于图书馆中图书的索书号，我们可以在图书馆网站上找到图书的索书号，然后根据索书号找到想要的书本。
## 4.1.3 文件的操作
### 1. 文件的基本操作
文件属于抽象数据类型。为了正确地定义文件，需要考虑可以对文件执行的操作。操作系统提供一系列的系统调用，实现对文件的创建、删除、读、写、打开和关闭等操作。
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1）创建文件。创建文件有两个必要步骤：一是为新文件分配外存空间；二是在目录中为之创建一个目录项，目录项记录了新文件名、文件在外存中的地址等信息。
**前期通知** ▶ 文件删除的过程（2013、2021）
2）删除文件。为了删除文件，根据文件名查找目录，删除指定文件对应的目录项和文件控制块，然后回收该文件所占用的存储空间（包括磁盘空间和内存缓冲区）。
3）读文件。为了读文件，根据文件名查找目录，找到指定文件的目录项后，从中得到被读文件在外存中的地址；在目录项中，还有一个指针用于对文件进行读操作。
4）写文件。为了写文件，根据文件名查找目录，找到指定文件的目录项后，再利用目录项中的写指针对文件进行写操作。每当发生写操作时，便更新写指针。
## 2. 文件的打开与关闭
**前期通知** ▶ 文件打开的过程（2014）
当用户对一个文件实施多次读/写等操作时，每次都要从检索目录开始。为了避免多次重复地检索目录，大多数操作系统要求，当用户首次对某文件发出操作请求时，须先利用系统调用 open 将该文件打开。系统维护一个包含所有打开文件信息的表，称为打开文件表。所谓“打开”，是指系统检索到指定文件的目录项后，将该目录项从外存复制到内存中的打开文件表的一个表目中，并将该表目的索引号（也称文件描述符）返回给用户。当用户再次对该文件发出操作请求时，可通过索引号在打开文件表中查找到文件信息，从而节省了大量的检索开销。当文件不再使用时，可利用系统调用 close 关闭它，则系统将从打开文件表中删除这一表目。
**前期通知** ▶ 多进程同时打开文件的分析（2017、2020）
**前期通知** ▶ 文件关闭的过程（2023）
在多个进程可以同时打开文件的操作系统中，通常采用两级表：整个系统表和每个进程表。整个系统的打开文件表包含与进程无关的信息，如文件在磁盘上的位置、访问日期和文件大小。每个进程的打开文件表保存的是进程对文件的使用信息，如文件的当前读/写指针、文件访问权限，并包含指向系统表中适当条目的指针。一旦有进程打开了一个文件，系统表就包含该文件的条目。当另一个进程执行调用 open 时，只不过是在其打开文件表中增加一个条目，并指向系统表的相应条目。通常，系统打开文件表为每个文件关联一个打开计数器(Open Count)，以记录多少进程打开了该文件。当文件不再使用时，利用系统调用 close 关闭它，会删除单个进程的打开文件表中的相应条目，系统表中的相应打开计数器也会递减。当打开计数器为 0 时，表示该文件不再被使用，并且可从系统表中删除相应条目。图 4.3 所示为内存中文件的系统结构。
图 4.3 内存中文件的系统结构
**前期通知** ▶ 文件名和文件描述符的应用场景（2012、2017、2024）
文件名不必是打开文件表的一部分，因为一旦完成对 FCB 在磁盘上的定位，系统就不再使
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用文件名。对于访问打开文件表的索引号，UNIX 称之为文件描述符，而 Windows 称之为文件句柄。因此，只要文件未被关闭，所有文件操作都是通过文件描述符（而非文件名）来进行。
**注意**
只要完成了文件打开 open() 系统调用，后面再使用 read()、write()、Lseek()、close() 等文件操作的系统调用，就不再使用文件名，而使用文件描述符。读考点已反复考过多次。
每个打开文件都具有如下关联信息：
- 文件指针。系统跟踪上次的读/写位置作为当前文件位置的指针，这种指针对打开文件的某个进程来说是唯一的，因此必须与磁盘文件属性分开保存。
- 文件打开计数。计数器跟踪当前文件打开和关闭的数量。因为多个进程可能打开同一个文件，所以系统在删除打开文件条目之前，必须等待最后一个进程关闭文件。
- 文件磁盘位置。大多数文件操作要求系统修改文件数据。查找磁盘上的文件所需的信息保存在内存中，以便系统不必为每个操作都从磁盘上读取该信息。
- 访问权限。每个进程打开文件都需要有一个访问模式（创建、只读、读/写、添加等）。该信息保存在进程的打开文件表中，以便操作系统能够允许或拒绝后续的 I/O 请求。
## 4.1.4 文件的逻辑结构
文件的逻辑结构是指从用户角度出发所看到的文件的组织形式。而文件的物理结构（也称存储结构）是指将文件存储在外存上的存储组织形式，是用户所看不见的。文件的逻辑结构与存储介质特性无关，它实际上是指在文件的内部，数据在逻辑上是如何组织起来的。
按逻辑结构，文件可划分为无结构文件和有结构文件两大类。
### 1. 无结构文件
无结构文件是最简单的文件组织形式，它是由字符流构成的文件，所以也称滤式文件，其长度以字节为单位。对流式文件的访问，是通过读/写指针来指出下一个要访问的字节。在系统中运行的大量源程序、可执行文件、库函数等，所采用的就是无结构文件。无结构文件没有结构，因此对记录的访问只能通过穷举搜索的方式，因此这种文件形式对很多应用不适用。