【大學(xué)課件】執(zhí)行程序

執(zhí)行程序從編碼到運行，了解程序如何執(zhí)行。什么是執(zhí)行程序？程序的載體執(zhí)行程序是程序在計算機(jī)系統(tǒng)中運行的載體，它包含了程序的指令和數(shù)據(jù)。可執(zhí)行文件執(zhí)行程序通常以可執(zhí)行文件的形式存儲在磁盤上，例如.exe、.dll等。運行狀態(tài)當(dāng)程序被加載到內(nèi)存中并開始執(zhí)行時，它就處于執(zhí)行程序狀態(tài)。執(zhí)行程序的特點動態(tài)性執(zhí)行程序是動態(tài)變化的，其運行過程伴隨著資源的分配和釋放、狀態(tài)的改變等。并發(fā)性多個執(zhí)行程序可以在同一時間段內(nèi)運行，利用系統(tǒng)資源，提高效率。異步性執(zhí)行程序的運行時間是不確定的，可能受到其他因素的影響，例如系統(tǒng)資源競爭。執(zhí)行程序的類型單道程序一次只運行一個程序，計算機(jī)資源分配給單個程序，直到程序結(jié)束才分配給下一個程序。多道程序多個程序同時駐留在內(nèi)存中，并交替運行，提高了CPU利用率，增加了系統(tǒng)吞吐量。多任務(wù)程序允許一個用戶同時執(zhí)行多個程序，通常采用圖形界面，并使用窗口來管理不同的任務(wù)。多線程程序一個程序可以包含多個線程，每個線程都代表一個執(zhí)行路徑，并可以獨立執(zhí)行，提高了程序執(zhí)行效率。單道程序執(zhí)行1一個程序系統(tǒng)一次只能運行一個程序2順序執(zhí)行程序從頭到尾依次執(zhí)行3低效CPU經(jīng)常處于空閑狀態(tài)多道程序執(zhí)行1資源利用率提升多個程序同時運行，最大限度利用CPU和內(nèi)存資源，提高系統(tǒng)效率。2響應(yīng)時間縮短多個用戶或多個任務(wù)可以共享系統(tǒng)資源，減少等待時間，提升用戶體驗。3系統(tǒng)吞吐量增加多個程序并行執(zhí)行，可以處理更多的任務(wù)，提高系統(tǒng)整體吞吐量。進(jìn)程的概念程序執(zhí)行一個正在運行的程序，包含了指令和數(shù)據(jù)資源分配一個進(jìn)程擁有自己的內(nèi)存空間、文件和I/O設(shè)備狀態(tài)變化進(jìn)程在運行過程中會處于不同的狀態(tài)，比如運行、就緒、阻塞進(jìn)程的狀態(tài)運行態(tài)進(jìn)程正在被CPU執(zhí)行，正在使用CPU的時間片。就緒態(tài)進(jìn)程已準(zhǔn)備好運行，但正在等待CPU時間片。阻塞態(tài)進(jìn)程正在等待某個事件，例如I/O操作完成或資源可用。進(jìn)程切換1保存狀態(tài)當(dāng)前進(jìn)程的CPU寄存器、程序計數(shù)器和其他狀態(tài)信息被保存到內(nèi)存。2加載狀態(tài)下一個進(jìn)程的狀態(tài)信息被加載到CPU寄存器和程序計數(shù)器中。3恢復(fù)執(zhí)行下一個進(jìn)程開始執(zhí)行。進(jìn)程創(chuàng)建分配資源為新進(jìn)程分配必要的資源，包括內(nèi)存、CPU時間、文件、I/O設(shè)備等。創(chuàng)建PCB為新進(jìn)程創(chuàng)建一個進(jìn)程控制塊（PCB），保存進(jìn)程的必要信息，如進(jìn)程標(biāo)識符、狀態(tài)、程序計數(shù)器、內(nèi)存地址等。初始化PCB初始化PCB中的一些關(guān)鍵信息，例如進(jìn)程狀態(tài)設(shè)置為就緒狀態(tài)，程序計數(shù)器設(shè)置為程序入口地址等。將PCB加入進(jìn)程隊列將新創(chuàng)建的PCB加入到相應(yīng)的進(jìn)程隊列中，等待調(diào)度器分配時間片進(jìn)行執(zhí)行。進(jìn)程終止1正常終止進(jìn)程完成任務(wù)后主動退出2異常終止由于錯誤或異常情況導(dǎo)致進(jìn)程終止3外部干預(yù)操作系統(tǒng)或其他進(jìn)程強制終止進(jìn)程進(jìn)程通信進(jìn)程間的信息交換共享數(shù)據(jù)或資源協(xié)調(diào)進(jìn)程執(zhí)行進(jìn)程同步協(xié)調(diào)進(jìn)程進(jìn)程同步是指多個進(jìn)程協(xié)同工作，共享資源，避免沖突。進(jìn)程同步的主要目的是確保多個進(jìn)程能夠按預(yù)期順序執(zhí)行，并協(xié)調(diào)它們對共享資源的訪問。避免競爭條件當(dāng)多個進(jìn)程訪問共享資源時，如果執(zhí)行順序不當(dāng)，可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤或系統(tǒng)崩潰，這種情況稱為競爭條件。進(jìn)程同步的主要任務(wù)就是解決競爭條件，確保數(shù)據(jù)的一致性和完整性。資源管理進(jìn)程同步還可以用于管理共享資源，例如打印機(jī)、數(shù)據(jù)庫等，確保多個進(jìn)程能夠有序地使用這些資源?；コ庠L問定義互斥訪問是指多個進(jìn)程訪問同一共享資源時，任何時刻只允許一個進(jìn)程訪問，其他進(jìn)程必須等待。目的防止多個進(jìn)程同時訪問共享資源導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或錯誤，確保數(shù)據(jù)完整性和一致性。信號量機(jī)制計數(shù)器記錄可用資源的數(shù)量。等待隊列用于存放等待資源的進(jìn)程。操作P操作：申請資源，如果資源不可用則等待；V操作：釋放資源，喚醒等待的進(jìn)程。管程機(jī)制同步和互斥管程提供了一種機(jī)制，用于確保多個進(jìn)程對共享資源的訪問是同步的，并且互斥的訪問。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管程包含共享資源的定義以及訪問這些資源的過程。它提供了一種抽象的機(jī)制，可以簡化對共享資源的管理。死鎖資源競爭多個進(jìn)程競爭有限的資源，導(dǎo)致相互等待。循環(huán)等待進(jìn)程間形成循環(huán)等待資源，無法釋放資源。死鎖的必要條件相互排斥:資源只能被一個進(jìn)程使用，其他進(jìn)程必須等待。占有且等待:進(jìn)程持有至少一個資源，同時等待獲取其他資源。不可剝奪:進(jìn)程已獲得的資源不能被強制剝奪，只能由進(jìn)程自行釋放。循環(huán)等待:存在一個封閉的進(jìn)程資源環(huán)路，每個進(jìn)程都在等待環(huán)路中下一個進(jìn)程釋放的資源。死鎖的預(yù)防破壞互斥條件某些資源可以被多個進(jìn)程共享，但這并不總是可行的。破壞占有并請求條件進(jìn)程在請求資源之前，必須釋放已占有的所有資源。破壞部分分配條件允許進(jìn)程一次性請求所有所需的資源，要么全分配，要么都不分配。破壞循環(huán)等待條件通過對所有資源進(jìn)行編號，并要求進(jìn)程按照資源號遞增的順序請求資源，避免循環(huán)等待的發(fā)生。死鎖的檢測與解決1檢測使用專門的算法定期檢查系統(tǒng)資源分配情況，判斷是否存在死鎖狀態(tài)。2解除一旦檢測到死鎖，需要采取措施來解除死鎖，例如撤銷進(jìn)程或搶占資源。3預(yù)防采取措施來防止死鎖的發(fā)生，例如破壞死鎖的必要條件。內(nèi)存管理概述內(nèi)存管理是操作系統(tǒng)中一項重要的功能，負(fù)責(zé)管理計算機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存資源。內(nèi)存管理的目標(biāo)是：有效地利用內(nèi)存空間，提高系統(tǒng)性能，并確保程序安全運行。內(nèi)存分配策略首次適應(yīng)算法從內(nèi)存的低地址開始查找，找到第一個滿足大小要求的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程。最佳適應(yīng)算法從內(nèi)存中查找一個最接近進(jìn)程大小的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程。最壞適應(yīng)算法從內(nèi)存中查找一個最大的空閑分區(qū)分配給進(jìn)程。虛擬內(nèi)存擴(kuò)大地址空間虛擬內(nèi)存允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間，突破物理內(nèi)存的限制。提高程序并發(fā)度多個程序可以共享同一個物理內(nèi)存，提高內(nèi)存利用率，從而提升系統(tǒng)并發(fā)度。簡化內(nèi)存管理虛擬內(nèi)存提供了一個統(tǒng)一的地址空間，簡化了程序員的內(nèi)存管理工作。頁面置換算法最久未使用(LRU)選擇最長時間未被訪問的頁面進(jìn)行替換。先進(jìn)先出(FIFO)選擇最先進(jìn)入內(nèi)存的頁面進(jìn)行替換。時鐘算法結(jié)合FIFO和LRU的優(yōu)點，在內(nèi)存中維護(hù)一個循環(huán)隊列，每次選擇最近使用時間最早的頁面進(jìn)行替換。文件管理概述文件管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)對文件進(jìn)行組織、存儲和訪問。文件組織文件系統(tǒng)將文件組織成樹狀結(jié)構(gòu)，方便用戶管理和檢索。訪問控制操作系統(tǒng)提供訪問控制機(jī)制，確保文件安全性和完整性。數(shù)據(jù)備份文件管理支持?jǐn)?shù)據(jù)備份和恢復(fù)功能，防止數(shù)據(jù)丟失。文件的存儲組織順序存儲文件被存放在連續(xù)的磁盤塊中。鏈接存儲文件存儲在不連續(xù)的磁盤塊中，塊地址通過指針鏈接。索引存儲文件存儲在不連續(xù)的磁盤塊中，塊地址通過索引節(jié)點記錄。文件的訪問方式順序訪問從文件開頭開始順序讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，必須按順序訪問每個數(shù)據(jù)塊。直接訪問直接訪問文件中的任何數(shù)據(jù)塊，無需按順序訪問，適合隨機(jī)訪問。索引訪問通過索引表來訪問文件，索引表記錄每個數(shù)據(jù)塊的地址，提供快速訪問。文件共享與保護(hù)共享方式多種方式，例如：共享目錄、文件鏈接、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)等。保護(hù)機(jī)制訪問控制、權(quán)限管理、加密技術(shù)等，保證文件安全。安全考慮病毒、惡意軟件、數(shù)據(jù)泄露等威脅需要考慮。I/O設(shè)備管理I/O設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)管理計算機(jī)系統(tǒng)中的各種輸入輸出設(shè)備。它主要負(fù)責(zé)：設(shè)備的分配和回收、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?、設(shè)備的故障檢測和處理、以及設(shè)備驅(qū)動程序的管理。磁盤調(diào)度算法先來先服務(wù)(FCFS)簡單易