【大學(xué)課件】執(zhí)行程序

執(zhí)行程序我們每天都在使用各種各樣的程序，例如瀏覽器、游戲、辦公軟件等。這些程序是如何工作的呢？什么是執(zhí)行程序？指令集合執(zhí)行程序是一組計(jì)算機(jī)指令，它們被組織成一個(gè)有序的序列，用于告訴計(jì)算機(jī)如何完成一項(xiàng)特定任務(wù)。程序代碼這些指令通常用高級(jí)編程語言編寫，然后被編譯或解釋成計(jì)算機(jī)可以理解的機(jī)器語言?？蓤?zhí)行文件執(zhí)行程序通常存儲(chǔ)在可執(zhí)行文件中，可以被操作系統(tǒng)加載并執(zhí)行。執(zhí)行程序的作用指導(dǎo)計(jì)算機(jī)執(zhí)行任務(wù)提供解決方案，解決問題實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，提高效率執(zhí)行程序的結(jié)構(gòu)一個(gè)執(zhí)行程序通常由以下幾部分組成：程序代碼：包含了程序的指令和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)段：用于存儲(chǔ)程序運(yùn)行過程中需要使用的變量和常量。堆棧段：用于存儲(chǔ)函數(shù)調(diào)用和局部變量。堆段：用于動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配。程序編譯與執(zhí)行的過程1源代碼程序員編寫的源代碼，通常使用高級(jí)編程語言編寫。2編譯器將源代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器可以理解的指令。3目標(biāo)代碼編譯器生成的機(jī)器指令，也稱為可執(zhí)行文件。4鏈接器將目標(biāo)代碼與系統(tǒng)庫連接起來，生成可執(zhí)行文件。5加載器將可執(zhí)行文件加載到內(nèi)存中，準(zhǔn)備執(zhí)行。6執(zhí)行CPU執(zhí)行可執(zhí)行文件中的指令，完成程序功能。編譯器和解釋器的區(qū)別編譯器將源代碼一次性翻譯成可執(zhí)行的機(jī)器碼，生成獨(dú)立的執(zhí)行文件。速度快，效率高，但靈活性較差。解釋器逐行解釋執(zhí)行源代碼，不需要生成獨(dú)立的執(zhí)行文件。靈活性高，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試，但執(zhí)行速度較慢。執(zhí)行程序的狀態(tài)運(yùn)行狀態(tài)程序正在執(zhí)行，CPU正在處理其指令。就緒狀態(tài)程序已準(zhǔn)備就緒，等待CPU的分配。阻塞狀態(tài)程序正在等待某個(gè)事件發(fā)生，例如I/O操作完成。進(jìn)程的概念程序執(zhí)行的實(shí)例進(jìn)程代表一個(gè)正在運(yùn)行的程序的實(shí)例，它包含了程序代碼、數(shù)據(jù)、狀態(tài)等信息。資源分配的單位操作系統(tǒng)將資源分配給進(jìn)程，而不是程序本身，每個(gè)進(jìn)程擁有獨(dú)立的地址空間和資源。動(dòng)態(tài)變化的實(shí)體進(jìn)程的生命周期包含創(chuàng)建、運(yùn)行、阻塞、終止等狀態(tài)，它是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的實(shí)體。進(jìn)程的生命周期1創(chuàng)建進(jìn)程創(chuàng)建需要系統(tǒng)資源分配2就緒等待CPU資源分配3運(yùn)行正在使用CPU執(zhí)行任務(wù)4阻塞等待I/O或其他事件5終止進(jìn)程結(jié)束并釋放資源進(jìn)程的基本操作創(chuàng)建操作系統(tǒng)通過創(chuàng)建系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程。掛起將正在運(yùn)行的進(jìn)程暫停，并將它放到等待隊(duì)列中?；謴?fù)從等待隊(duì)列中選擇一個(gè)進(jìn)程，并恢復(fù)它的執(zhí)行。終止釋放進(jìn)程占用的所有資源，并將其從系統(tǒng)中移除。進(jìn)程控制塊進(jìn)程標(biāo)識(shí)符唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程進(jìn)程狀態(tài)記錄進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)程序計(jì)數(shù)器指示下一條指令地址上下文切換1保存當(dāng)前進(jìn)程將CPU寄存器和進(jìn)程狀態(tài)保存到內(nèi)存2加載新進(jìn)程將新進(jìn)程的狀態(tài)加載到CPU寄存器3切換進(jìn)程將CPU控制權(quán)轉(zhuǎn)移到新進(jìn)程程序計(jì)數(shù)器1指令指針程序計(jì)數(shù)器（PC）也稱為指令指針，它是一個(gè)寄存器，用于存儲(chǔ)要執(zhí)行的下一條指令的地址。2順序執(zhí)行在大多數(shù)情況下，PC的值在執(zhí)行完一條指令后自動(dòng)增加，指向下一條指令的地址，實(shí)現(xiàn)程序的順序執(zhí)行。3跳轉(zhuǎn)指令當(dāng)遇到跳轉(zhuǎn)指令時(shí)，PC的值會(huì)被修改，指向跳轉(zhuǎn)目標(biāo)指令的地址，實(shí)現(xiàn)程序的控制流轉(zhuǎn)移。進(jìn)程調(diào)度算法目的優(yōu)化系統(tǒng)資源利用率，提高系統(tǒng)吞吐量，減少平均等待時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間。分類非搶占式：一旦進(jìn)程開始執(zhí)行，就一直運(yùn)行到結(jié)束，除非該進(jìn)程主動(dòng)放棄CPU。搶占式：允許正在運(yùn)行的進(jìn)程被其他進(jìn)程打斷，以便其他進(jìn)程有機(jī)會(huì)運(yùn)行?？紤]因素CPU利用率吞吐量平均等待時(shí)間響應(yīng)時(shí)間先來先服務(wù)（FCFS）簡單易懂按照進(jìn)程到達(dá)的順序進(jìn)行調(diào)度，無需復(fù)雜的計(jì)算或比較。公平性所有進(jìn)程都獲得平等的機(jī)會(huì)，不會(huì)出現(xiàn)某些進(jìn)程長期等待的情況。易于實(shí)現(xiàn)簡單的FIFO隊(duì)列即可實(shí)現(xiàn)，無需額外的復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。最短作業(yè)優(yōu)先(SJF)時(shí)間優(yōu)化SJF算法旨在通過優(yōu)先處理執(zhí)行時(shí)間最短的作業(yè)來優(yōu)化系統(tǒng)性能，從而減少平均等待時(shí)間和系統(tǒng)吞吐量。預(yù)測(cè)挑戰(zhàn)SJF算法需要預(yù)先知道每個(gè)作業(yè)的執(zhí)行時(shí)間，這在實(shí)際應(yīng)用中可能無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，導(dǎo)致算法的實(shí)際效果與理論預(yù)期有所偏差。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR）1分配時(shí)間片每個(gè)進(jìn)程被分配一個(gè)固定時(shí)間片，在時(shí)間片內(nèi)運(yùn)行。2時(shí)間片結(jié)束時(shí)間片結(jié)束后，進(jìn)程被強(qiáng)制切換到就緒隊(duì)列，等待下一次調(diào)度。3循環(huán)調(diào)度調(diào)度器輪流調(diào)度就緒隊(duì)列中的進(jìn)程，保證所有進(jìn)程都能獲得CPU時(shí)間。優(yōu)先級(jí)調(diào)度動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)根據(jù)進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變化，例如CPU利用率、等待時(shí)間等，動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)先級(jí)。靜態(tài)優(yōu)先級(jí)預(yù)先設(shè)定每個(gè)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，在整個(gè)運(yùn)行過程中保持不變。優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程被低優(yōu)先級(jí)進(jìn)程阻塞，導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低。多線程的概念輕量級(jí)進(jìn)程線程是進(jìn)程的一部分，是進(jìn)程的執(zhí)行單元。一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程，它們共享進(jìn)程的內(nèi)存空間和資源。并發(fā)執(zhí)行線程之間可以并發(fā)執(zhí)行，提高程序的效率。例如，一個(gè)線程負(fù)責(zé)處理用戶界面，另一個(gè)線程負(fù)責(zé)后臺(tái)數(shù)據(jù)處理。資源共享同一進(jìn)程內(nèi)的多個(gè)線程共享進(jìn)程的內(nèi)存空間和資源，包括代碼段、數(shù)據(jù)段、堆和文件等。線程的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)提高應(yīng)用程序的響應(yīng)能力。當(dāng)一個(gè)線程被阻塞時(shí)，其他線程仍然可以運(yùn)行，從而避免整個(gè)程序阻塞。更有效的利用系統(tǒng)資源。多個(gè)線程共享相同的內(nèi)存空間和資源，可以更有效地利用系統(tǒng)資源。簡化編程模型。使用線程可以將程序分解成更小的任務(wù)，更容易理解和維護(hù)。缺點(diǎn)線程同步問題。多個(gè)線程訪問共享資源時(shí)，需要進(jìn)行同步，否則可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性問題。調(diào)試難度加大。由于多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行，調(diào)試線程程序比調(diào)試單線程程序更困難。資源競爭問題。多個(gè)線程競爭使用相同的資源，可能會(huì)降低程序的性能。線程的實(shí)現(xiàn)用戶級(jí)線程由應(yīng)用程序管理線程，輕量級(jí)，快速創(chuàng)建和銷毀。內(nèi)核級(jí)線程由操作系統(tǒng)管理線程，重量級(jí)，由內(nèi)核調(diào)度。線程調(diào)度時(shí)間片輪轉(zhuǎn)每個(gè)線程分配一個(gè)時(shí)間片，輪流執(zhí)行，時(shí)間片用完就切換到下一個(gè)線程。優(yōu)先級(jí)調(diào)度每個(gè)線程分配一個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的線程優(yōu)先執(zhí)行。隨機(jī)調(diào)度隨機(jī)選擇一個(gè)線程進(jìn)行執(zhí)行，適用于對(duì)時(shí)間敏感性要求不高的場(chǎng)景。同步問題與臨界區(qū)臨界區(qū)是指多個(gè)進(jìn)程需要訪問的共享資源部分。多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問臨界區(qū)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致，產(chǎn)生同步問題。同步機(jī)制保證一次只有一個(gè)進(jìn)程訪問臨界區(qū)，防止數(shù)據(jù)沖突。信號(hào)量機(jī)制概念信號(hào)量是一個(gè)整型變量，用于控制對(duì)共享資源的訪問。操作有兩個(gè)基本操作：wait和signal，用于等待或釋放資源。用途廣泛應(yīng)用于同步問題，如生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題、讀者-寫者問題。管程機(jī)制共享資源管理管程是一種高級(jí)同步機(jī)制，用于管理共享資源，并確保對(duì)資源的訪問是安全和有效的。封裝數(shù)據(jù)和操作它將共享資源和對(duì)資源的操作封裝在一個(gè)抽象數(shù)據(jù)類型中，稱為“管程”?；コ庠L問控制管程機(jī)制確保一次只有一個(gè)線程可以訪問共享資源，從而避免數(shù)據(jù)競爭和不一致。死鎖及其處理定義死鎖是指兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程因互相等待對(duì)方釋放資源而陷入永久阻塞的狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)無法繼續(xù)運(yùn)行。原因死鎖通常發(fā)生在多個(gè)進(jìn)程競爭資源時(shí)，由于資源分配策略不當(dāng)、并發(fā)訪問方式不合理等原因?qū)е?。處理方法常見的死鎖處理方法包括：死鎖預(yù)防、死鎖避免、死鎖檢測(cè)和死鎖恢復(fù)。虛擬內(nèi)存管理擴(kuò)大地址空間通過將磁盤空間作為內(nèi)存的一部分來擴(kuò)大地址空間，允許運(yùn)行更大、更復(fù)雜的程序。提高內(nèi)存利用率僅加載正在使用的程序部分，有效利用內(nèi)存，減少內(nèi)存碎片，提高效率。支持多任務(wù)處理允許多個(gè)程序共享內(nèi)存空間，提高系統(tǒng)資源利用率，支持更多用戶同時(shí)運(yùn)行程序。頁面置換算法當(dāng)內(nèi)存已滿，需要為新頁面騰出空間時(shí)，選擇哪個(gè)頁面被替換，這就是頁面置換算法的作用。頁面置換算法的目標(biāo)是減少頁面失效次數(shù)，提高系統(tǒng)性能。常用的頁面置換算法包括FIFO、LRU、OPT等，每種算法都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)景。磁盤管理與文件系統(tǒng)磁盤管理磁盤管理是操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理存儲(chǔ)設(shè)備的模塊。它將物理磁盤劃分成邏輯存儲(chǔ)單元，分配和回收磁盤空間，以及管理磁盤的讀寫操作。文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)是組織和管理存儲(chǔ)在磁盤上的文件和目錄的一種層次結(jié)構(gòu)。它提供了一種方便的方式來訪問、存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)。輸入輸出設(shè)備管理鍵盤鍵盤是用戶輸入的主要方式，負(fù)責(zé)將字符和命令轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的信號(hào)。鼠標(biāo)鼠標(biāo)用于控制光標(biāo)位置和操作，是圖形界面交互的重要工具。顯示器顯示器負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果以圖形或文字的形式展現(xiàn)給用戶。打印機(jī)打印機(jī)用于將電子文檔或圖像打印成紙質(zhì)輸出。綜合實(shí)例討論結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，深入探討執(zhí)行