（计算机应用技术专业论文）windows运行过程数据采集方法研究.pdf

i 呜 r 一0 。p 帮 i j j j j 舢f j | | 舢| i j f f f i f f | f f i l f 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 y 17 9 3 6 3 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 彰兰互 日 期：盥z 里：数 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 。 f 论文作者签名：丝导师签名：，一扭鲨茎垒日 期：土里生芏： l ， 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 第1 章绪论= 1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 相关工作和研究现状一2 1 3 主要工作及章节安排3 第2 章操作系统可视化的研究方法和内容一5 2 1 软件可视化简介一5 2 1 1 软件可视化的概念5 2 1 2 软件可视化的内涵6 2 1 3 软件可视化的关键问题7 2 2 操作系统可视化应用与教学8 2 2 1 操作系统概念8 2 2 1 操作系统教学现状9 2 2 2 操作系统教学方法分类9 2 3 操作系统可视化1 0 2 3 1 可视化途径1 0 2 3 2 可视化教学特点11 2 3 3 可视化的工作流程1 1 2 4 本章小结1 2 第3 章内核数据的采集1 4 3 1 实验环境配置1 4 3 1 1 必备工具1 4 3 1 2 安装及配置1 5 f 3 2c p u 调度模块分析1 7 3 2 1 内核调度概述1 7 3 2 2w r k 内核调度详解1 8 山东大学硕士学位论文 3 2 3 调度相关操作2 0 3 3 内核信息描述及提取2 2 3 3 1 内核数据描述2 3 3 3 2 数据采集原则2 5 3 3 3 数据采集方法2 6 3 4 本章小节2 9 第4 章内核信息分析及可视化处理3 0 4 1 数据预处理3 0 4 2 数据分析3 1 4 2 1 数据完整性分析3 1 4 2 2 内核调度具体过程分析3 2 4 3 采集数据的可视化3 4 4 3 1 可视化注意事项3 4 4 3 2 可视化效果展示3 5 4 4 本章小节3 6 第5 章总结及展望3 7 参考文献3 9 致谢4 3 攻读学位期间发表的学术论文目录4 4 攻读学位期间参与的项目4 4 1 3m a i nw r o r ka n da r r a n g e m e n t 3 c h a p t e r2r e s e a r c hm e t h o d sa n dc o n t e n t so fo sv i s u a l i z a t i o ne d u c a t i o n 5 2 1i n t r o d u c t i o no f s o f t w a r ev i s u a l i z a t i o n 5 2 1 1c o n c e p to f s o f t w a r ev i s u a l i z a t i o n 5 2 1 2c o n n o t a t i o no fs o f t w a r ev i s u a l i z a t i o n 6 2 1 3k e yp r o b l e m so f s o f t w a r ev i s u a l i z a t i o n 7 2 2o p e r a t i n gs y s t e me d u c a t i o n 8 2 2 1c o n c e p to f o p e r a t i n gs y s t e m 8 2 2 1c u r r e n to p e r a t i n gs y 7 s t e me d u c a t i o n 9 2 2 2c l a s s i f i c a t i o no f o p e r a t i n gs y s t e me d u c a t i o n 9 2 3o p e r a t i n gs y s t e mv i s u a l i z a t i o n 1 0 2 3 1v i s u a l i z a t i o nm e t h o d s 1 0 2 3 2a t t r i b u t eo f v i s u a l i z a t i o ne d u c a t i o n 1 1 2 3 3w 6 r k f l o wo f v i s u a l i z a t i o n 1 1 2 4c o n c l u s i o n s 1 2 c h a p t e r3c o l l e c t i o no f k e m e ld a t a 1 4 3 1c o n f i g u r a t i o no f e x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t 1 4 3 1 1r e q u i r e dt o o l s 1 4 3 1 2h l s t a l l a t i o na n dc o n f i g u r a t i o n 1 5 ， ”、3 2a n a l y s i so fc p us c h e d u l i n gm o d e l 1 7 3 2 1h t r o d u c t i o no f k e r n e ls c h e d u l i n g 1 7 3 2 2d e t a i l so f 佩kk e m e ls c h e d u l i n g 1 8 山东大学硕士学位论文 3 2 3r e l a t e do p e r a t i o n so fs c h e d u l i n g 2 0 3 3d e s c r i p t i o na n dc o l l e c t i o no f k e r n e li n f o r m a t i o n 一2 2 _ 3 3 1d e s c r i p t i o no f k e r n e li n f o r m a t i o n 一2 3 3 3 2p r i n c i p l eo f d a t ac o l l e c t i o n 2 5 3 3 3m e t h o do f d a t ac o l l e c t i o n 2 6 3 4c o n c l u s i o n s 。2 9 c h a p t e r4a n a l y s i sa n dv i s u a l i z a t i o no f k e m e l i n f o r m a t i o n 3 0 4 1d a t ap r e t r e a t m e n t 3 0 4 2a n a l v s i so f d a t a 3 1 4 2 1a n a l y s i so f d a t ai n t e g r a l i t y 31 4 2 2r e a la n a l y s i so f k e r n e ls c h e d d i n g 3 2 4 3v i s u a l i z a t i o n 3 4 4 3 1n o t i c eo f v i s u a l i z a t i o n 3 4 4 3 2v i s u a l i z a t i o ns h o w 3 5 。 4 4c o n c l u s i o n s 3 6 c h a p t e r5s u m m a r ya n dp r o s p e c t 一3 7 l r e f e r r e n c e 3 9 a c k n o w l e d g e m e n t - 4 3 p a p e r sp u b l i s h e d 4 4 p r o j e c t sp a r t i c i p a t e di n 4 4 一 山东大学硕士学位论文 摘要 作为计算机领域最重要的软件之一，操作系统提供了沟通用户与计算机硬件 的平台，为广大使用者提供了便利。为了更好的发挥操作系统的功能，对其工作 机制和原理的研究越来越受到重视，成为了计算机领域的必修课程。大多数教学 和科研领域都以开源的l i n u x 系统或实验性操作系统为平台，但日常广泛使用的 w i n d o w s 操作系统却因其商业保密性，使人无法对其深入研究。微软面向高校和 科研机构推出的研究型内核w r k ( w i n d o w sr e s e a r c hk e r n e l ) 为操作系统的研究 提供了最好的素材，使科研更贴近实用，更具有说服力。然而，现在的系统内核 规模庞大，功能复杂，已不是一己之力就能研究透彻的。尤其是对于初学者，想 深入了解其内部机理更是望而生畏。随着可视化技术的不断发展，它在提高人类 认知能力方面发挥着越来越明显的优势。将可视化技术引入操作系统教研领域， 无疑是有助于学生和科研工作者对操作系统有更深入了解。 如今，可视化技术与操作系统教研相结合的范例已有不少，但存在一些不足 之处。大多数研究平台都是l i n u x 或实验性系统m i x ，与现实广泛使用的w i n d o w s 系统相去甚远。一些以演示内核某些算法为主的可视化软件，重在展现算法，与 真实的操作系统相脱节，且数据来源无据可依。有些以真实操作系统为平台的研 究工作，多以a p i 编程方式获取内核信息，信息提取不够全面，破坏了操作系 统的整体性。为了帮助大多数人更好的了解内核工作机制，本文以真实w r k 内 核为平台，深入源代码进行修改，重编译内核，提取出规定时间段的所有内核运 行信息，并采用可视化技术进行可视化处理。 本文提出的操作系统教学方法，重在数据来源真实，具有说服力，同时保持 了系统的完整性，又不失交互性。重点研究内容包括： 1 、研究对象为w i n d o w s 内核，深入研读内核源码，提取出内核运行过程中 的动态信息。数据采集模块需要定义完备的内核信息描述指令格式，以此指令格 1 式作为理解内核工作原理的标准，并以此格式来修改内核源码，执行重编译的内 、 核提取内核运行信息。 2 、基于内核结构的复杂和代码量的庞大，对于采集的初始数据需进行必要 山东大学硕士学位论文 的预处理，一方面便于人工分析初始数据的完整性和可靠性，另一方面可将其作 为内核分析的原始材料。 3 、为更加直观的再现操作系统的整体运行过程，采用现代可视化技术，可 视化内核运行数据，以图像的方式展示内核运行过程。 通过本文对新教学方法的探索可知，从内核源码出发，以真实的内核运行过 程数据为基础的可视化，可以实现对内核数据结构，算法和综合结构的更深层次 的理解，真实性强，整体性强，具有进一步研究和开发的意义。 关键词： 操作系统；内核；w in d o w s ；w r k ；可视化； ， 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts u b je c t si nc o m p u t e rf i e l d , o p e r a t i n gs y s t e m s u p p o r t sac o n v e n i e n tp l a t f o r mw h i c hc o n n e c t su s e r sa n dc o m p u t e rh a r d w a r e i no r d e r t om a k eo p e r a t i n gs y s t e mw o r kw e l l ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sf o c u s e do nt h e r e s e a r c ho fi t sp r i n c i p l e ，w h i c hi sr e q u i r e ds u b je c ti nc o l l e g e l i n u xa n do t h e r e x p e r i m e n t a lo p e r a t i n gs y s t e m sa l ea l w a y su s e di nr e s e a r c ha n de d u c a t i o nf i e l d , a n d w i n d o w si sw i d e l yu s e di nn o r m a ll i f e t h e r e f o r e ，i ti sc o n t r a r yb e t w e e nl e a r n i n ga n d u s e t h er e s e a r c hk e r n e lw r k ( w i n d o w sr e s e a r c hk e m e l ) a f f o r d sb e t t e rr e s e a r c h m a t e r i a lf o rc o l l e g e sa n dr e s e a r c hl a b s ，a n dc o n n e c t sr e s e a r c ha n du s ep e r s u a s i v e l y h o w e v e r , t h ek e r n e li sv e r yc o m p l i c a t e da n dc a n tb em a s t e r e db y o n ep e r s o n e s p e c i a l l yf o rb e g i n n e r s ，i ti sa h a r dw o r kt ou n d e r s t a n di t st h e o r y b u ti nr e c e n ty e a r s v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p s f a s ta n ds h o w s m o r eo b v i o u sa d v a n t a g e si n i m p r o v i n gt h eh u m a nc o g n i t i v ea b i l i t i e s c o m b i n i n gv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g ya n d o p e r a t i n gs y s t e me d u c a t i o nw i l lc o n t r i b u t et ot h ec o m p r e h e n s i o no fo p e r a t i n gs y s t e m t h e o r yf o rs t u d e n t sa n dr e s e a r c h e r su n d o u b t e d l y p r e s e n t l y ，al o to fw o r kh a sd o n et oi n t r o d u c ev i s u a l i z a t i o ni n t oo p e r a t i n gs y s t e m t e a c h i n gf i e l d b u tt h e r e r es o m ed e f i c i e n c i e s m o s te d u c a t i o n a lp l a t f o r m sa r el i n u x o r e x p e r i m e n t a lo p e r a t i n gs y s t e m ，s u c h a sm i x i ti sd i f f e r e n tf r o md a i l y u s e - - - w i n d o w s s o m ea l g o r i t h mv i s u a l i z a t i o nt o o l so rs o f t w a r eh a v ee x c e l l e n tv i s u a l e f f e c tb u tp a ym o r ea t t e n t i o nt od e m o n s t r a t ea l g o r i t h mi t s e l f , t h e y r es e p a r a t e df r o m a c t u a lr u n n i n gs y s t e m ，a n ds ot h ed a t as o u r c ei su n r e a l al o to fw o r kd o n eu s i n gr e a l o p e r a t i n gs y s t e ma sp l a t f o r m ，c o l l e c t sk e r n e li n f o r m a t i o nb ya p i ，b u tt h e yc a nn o t c o l l e c tg l o b a li n f o r m a t i o nf o ro p e r a t i n gs y s t e mi sa ne n t i r e n e s s i no r d e rt oh e l p m a j o r i t yt ou n d e r s t a n do p e r a t i n gs y s t e mw e l l ，t h i sp a p e ru s e sr e a lw r k a sr e s e a r c h p l a t f o r m , m o d i f i e s k e m e ls o u r c ec o d e ，r e c o m p i l e si ta n dc o l l e c t se x e c u t i n g i n f o r m a t i o no fd e f i n e dp e r i o dw h i c hi su s e da ss o u r c ed m af o rv i s u a l i z a t i o n t h em e t h o dp r e s e n t e di n t h i sp a p e rf o c u s e so nt h er e a l i t ya n dp e r s u a s i o no f i i i l l j 东大学硕士学位论文 s o u r c ed a t a a tt h es a m et i m e ，i tk e e p st h ew h o l eo p e r m i n gs y s t e ma sa l le n t i r e n e s s t h er e s e a r c he m p h a s i si n c l u d e 1 f o rt h er e s e a r c ho b je c ti sw i n d o w sk e m e l ，c o m p r e h e n s i o no ft h ek e r n e li s n e c e s s a r yt ot h ed a t ac o l l e c t i o no fr u n n i n gk e m e l t h ed a t ac o l l e c t i n gm o d e li s e nt h e c o m p l e t ei n s t r u c t i o n sw h i c ha r ed e f i n e dt od e s c r i b ek e m e la c t i o n s ，t om o d i f yk e r n e l s o u r c ec o d ea n dc o l l e c te x e c u t i n gi n f o r m a t i o n 2 b e c a u s et h ec o m p l e x i t ya n de n o r m o u s n e s so fk e r n e l s o u r c ec o d e ，a p r e t r e a t m e n to fc o l l e c t e dd a t ai sn e e d e dt oa n a l y 7 z et h ei n t e g r a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fi t , a n dt h ec o l l e c td a t ac a nb eu s e da sr a wm a t e r i a lf o rk e m e l a n a l y s i s 3 i no r d e rt os h o wt h eo p e r a t i n gp r o c e s so f w i n d o w sk e r n e lc l e a r l y , m o d e m v i s u a l i z a t i o ni sm a d et op r e s e n tt h ek e m e le x e c u t i n g p r o c e s s f i n a l l y , f r o mt h ee x p l o r a t i o no fn e we d u c a t i o n a lm e t h o d , w ec a nc o n c l u d et h a t t h ev i s u a l i z a t i o nw i t hk e m e ls o u r c ec o d ea n dr e a lk e r n e le x e c u t i n gd a t aa sb a s i s ，c a r l h e l pt ou n d e r s t a n dt h ek e m e ld a t as t r u c t u r e ，a l g o r i t h ma n de n t i r es t r u c t u r ed e e p l ya n d t h ev i s u a l i z a t i o nr e s u l ti sm o r er e a la n da c c e p t a b l e ，s oi tm u s th a v et h es i g n i f i c a n c e f o rf u r t h e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ： o p e r a t i n gs y s t e m ；k e r n e l ；w i n d o w s ；w r k ；v i s u a l i z a t i o n w | 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 操作系统是连接计算机硬件和用户的接口，负责管理和协调各种活动，及共 享计算机资源。作为计算机应用程序的管家，它负责资源的分配和硬件的访问保 护，这就解脱了应用程序管理这些细节的负担。m i c r o s o f t 开发的w i n d o w s 是目 前世界上用户最多、且兼容性最强的视窗电脑操作系统。研究操作系统的原理， 设计方法和相应数据结构，最好的方法就是深入阅读操作系统源代码。微软面向 高校推出的开源的w i n d o w s 研究性内核w r k ( w i n d o w sr e s e a r c hk e m e l ) 为操 作系统的研究提供了宝贵的资源。操作系统的研究不仅仅是操作系统原理的探 索，对于应用软件，尤其是系统软件的开发也有着重要的影响。 w i n d o w s 拥有如此庞大的用户群，但是基于其不开源等原因，使人们对其原 理既感好奇，又无能为力。w r k 的出现给予w i n d o w s 爱好者极好的研究素材， 可以一览神秘的w i n d o w s 实现原理。但是，w r k 包括的w i n d o w ss e r v e r2 0 0 3 内核n t o s 代码量非常庞大( 约3 0 m ) ，不仅包括c 语言程序，还包括汇编程序。 同时，内核代码的内部结构相当复杂，各模块间联系非常紧密，没有大量的系统 相关知识的积累，很难对其有很好的理解。尤其是对于初学操作系统课程的学习 者，笼统的原理讲解太过抽象，真实系统的学习又需要强大的基础理论知识作为 基础。随着信息科技的发展，操作系统作为底层软件，变得越来越庞大，已是非 一人之力就能搞懂的。 基于操作系统的不易理解，规模庞大等特性，本文旨在探索借助现代化的可 视化技术解决上述状况。人类对知识的获取相当一部分是来自视觉，可视化方法 更符合人们的认知心理，它通过将各种抽象的数据信息转化为各种易于理解的图 形图像信息，变抽象为具体，帮助人们增加认知能力。鉴于可视化技术能大大提 高人们对知识的认知能力，把操作系统相关抽象概念运用可视化技术展现出来， 必定会有助于操作系统的学习。本文主要是提取w r k 内核执行过程中关键信息， 然后用形象直观的图形信息加以展示。 山东大学硕士学位论文 1 2 相关工作和研究现状 对于操作系统的研究，尤其是对于真实的操作系统的研究，主要是限于l i n u x 内核的研究。l i n u x 作为开源软件，被不同的机构和个人进行研究和修改，积累 了大量操作系统方面的研究成果，其中出版的大量书籍都成为了经典的大学教材 1 4 1 。这些教材介绍系统的基本组成模块，经典的算法和数据结构，而这些往往 都限于静态的分析和图表展示，抽象的曾度比较高。 一类介绍操作系统原理的材料是大量出现的演示动画，主要是介绍一些算法 和基本原理1 6 4 1 。如o s c a l ( o p e r a t i n gs y s t e mc o n c e p ta n i m a t i o nl i b r a r y ) 1 6 1 是 专门从事操作系统教学的动画库，其中包括多种进程调度实现、各种磁盘调度， 以及页面置换机制的实现等。这些演示动画，都是预先定制好的，即只能给学习 者一个内核机制运行过程的大体展示，是被动接受的，缺少必要的交互性。虽然 这种方式在阐明原理方面比较直接，未免与实际的操作系统脱节，数据来源不真 实，只能在形式上单纯介绍原理不适合深入操作系统内部的机制。 一 利用仿真软件与真实的操作系统相结合的可视化更具有说服力，因其数据来 源更真实，显示也更具体。k e v i n 等人设计的l i n u x 处理器调度算法模拟器1 9 1 ， 。 就是可以运行于l i n u x 操作系统之上，其原理是由人工设定相应的调度进程组， 并且可以选择不同的调度算法，然后执行该组进程，同时收集必要信息，最后以 可视化的方式把调度过程展现出来。这种方法数据来源真实，但是缺乏整体性， 仅有对各种调度算法的分析，无其它机制与调度算法的交互，如中断等。这种方 法是对某一种机制的模拟，不能将各种机制融合到一块。 利用可视化技术研究操作系统内核原理的典型代表是l i n u x 的内核跟踪机 制l t t ( l i n u xt r a c et o o l k i t ) 【1 3 1 ( o p e r s y s 和l i n e o 联合研究成果) 。它观察某 段时间内的内核行为，并且记录关键运行数据，然后采用可视化技术以图形方式 把内核运行过程展现给用户。但是，这只能是一个内核性能的分析器，可以有效 的监控系统性能参数，其后期的数据处理和可视化处理比较注重性能展示，不适 合于内核的深入学习。 根据当前该领域的研究现状，如要建立行之有效的操作系统教学方法，首先 数据来源要真实，即数据源要采集于真实运行的操作系统。其次，内核结构较复 杂，在精力有限的情况下，不可能完全覆盖，因此该方法应具有通用性和可扩展 2 ， l j j 东大学硕士学位论文 性。再次，紧密结合内核源码，进行深层次的挖掘，并且采用形象直观的可视化 方法。简言之，本文将立足于内核运行时的真实数据和结合源码研究内核关键过 程的可视化。 1 3 主要工作及章节安排 1 本文的主要工作 本文在基于m i c r o s o f t 向高校公开的w r k 研究型内核的基础上，为探索新 的操作系统教学方法，主要做了以下三项工作： ( 1 ) 对于指定的时间段内操作系统的运行过程，收集有效的关键信息。采 用的方法是，直接从源代码出发，为了便于信息的理解，设计内核信息描述指令 格式，修改w r k 内核源码，重新编译内核，以设定的格式提取相应内核运行信 息。 ( 2 ) 数据整理和分析。数据分析主要是依据不同方面，不同观察粒度对获 取数据进行完整性、有效性分析，并且转变为规整的人读和机读数据。 ( 3 ) 可视化处理。主要是利用现代可视化理论知识，依据操作系统运行过 程的特点，以图形图像方式，形象直观的展示内核的运行过程。 2 本文的章节安排 本文第二章主要介绍可视化的发展现状，特别是软件可视化的概念、内涵和 关键问题等；操作系统教学的方法分类及其特点；可视化在操作系统教学中的应 用现状，以及可视化教学的优点。 随后的章节主要介绍数据采集模块的各项功能，鉴于实验环境配置比较繁 琐，首先是对实验环境的配置做简单介绍；其次，以内核调度模块为例，着重讲 解内核调度算法工作原理；最后，根据内核调度原理制定相应内核信息描述指令， 修改内核代码提取内核运行信息。 第四章在数据采集模块采集的数据的基础上，进行必要的预处理，然后人工 验证数据的完整性和可靠性，同时可以生成用于分析内核原理的原始数据材料， 最后以完整的数据作为可视化的数据源，利用现代可视化技术进行可视化处理。 文章最后对当前工作进行总结，分析不足之处并展望操作系统可视化教学的 3 山东大学硕士学位论文 下一步工作和未来发展。 4 ， 山东大学硕士学位论文 第2 章操作系统可视化的研究方法和内容 2 1 软件可视化简介 可视化泛指利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在 屏幕上显示出来并进行交互处理的理论、方法和技术，这是一个展示数据并获得 对数据更深层次认识的过程。它作为一门新的学科和技术领域出现的标志是 1 9 8 7 年美国科学基金会( n s f ) 组织召开的“科学计算可视化”专题研讨会，以 及大会后m c c o r m i c k 等人发表的“科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i c c o m p u t i n g ，v i s c ) ”报告，或简称可视化( v i s u a l i z 撕o n ) 。最初的可视化专指科 学计算可视化，它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视 觉及人机交互等多个领域，其实质是运用计算机图形学和图像处理技术，将科学 计算过程中产生的数据及计算结果转化为图像，在屏幕上显示并进行交互处理， 它被广范应用于医学、气象、分子生物学等多种领域【1 4 1 ，多用在对空间数据场 物理数据的可视化处理上。 随着社会信息量的激增和数据的多元化，越来越多的非空间数据出现，需要 强有力地分析工具来对其进行有效的处理和利用，信息可视化( i n f o r m a t i o n v i s u a l i z a t i o n ) 应运而生，这成为信息科学的重要研究领域，g r o b e r t s o n 、 s k c a r d 与j d m a c k i n l a y 在1 9 8 9 年首次明确提出概念【1 s l ，c a r d 称它为“计 算机支持的、人机交互的抽象数据图像化方法，从而帮助用户增强识别信息的能 力”。近年来技术迅速发展，深入到医疗、地理、数据挖掘、网络信息搜索、 软件和程序理解等各种应用中，如与数据挖掘“1 及与软件可视化1 1 7 1 的结合应用， 特别是软件可视化已成为可视化技术的一个重要分支，也取得了长足进展，下一 节将详细阐述。 2 1 1 软件可视化的概念 软件可视化是研究如何利用交互式计算机图形技术以及图形、印刷、颜色、 动画、音频、视频等各种手段，增强软件中算法和程序理解性和使用效率的学科 5 山东大学硕士学位论文 1 8 1 。软件可视化既包括开发过程的可视化，又包括软件执行的可视化。在程序 开发过程中，可视化编程( 如v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc + + 等可视程序设计语言) 和 可视化软件开发都是软件可视化的范畴。软件执行的可视化主要是可视化软件的 执行过程，本文将讨论范围限制在软件的执行环节，不涉及开发和管理环节，主 要目的在于提高软件本身的可理解性。 所谓可视化就是要以图形、图像等更容易理解的方式来传达信息。对于软件 可视化，就是将软件产品映射到图形，主要包括程序( p r o g r a m ) 、映射( m a p p i n g ) 、 图形( g r a p h i c a lr e p r e s e n t a t i o n ) 三要素【1 9 娜1 。这里的关键问题是如何将表明系统 状态和行为的程序特征映射至图形或者动画表示，更详细地讲，主要问题有：如 何描述程序的状态和行为特征，相应的数据格式如何定义；定义何种图形符号用 来表示程序执行中涉及到的各种物理和逻辑元素，定义何种恰当的标准来表征元 素的不同状态和行为：如何定义程序特征到图形元素之间的映射关系等。 2 1 2 软件可视化的内涵 许多研究人员对软件可视化理论的都有深入的研究1 9 , 2 1 2 3 l ，并从不同的视角 阐述了对软件可视化的理解，同时对软件可视化系统进行了细致分类。利用可视 、 化技术来呈现软件结构和行为是软件可视化研究的主要关注点1 2 4 i 。大型软件系 统代码的理解、修改和维护是相当费时和费力的事，软件可视化技术利用图形方 式来展现软件的架构，算法及行为，使软件更易于理解 2 s l 。可视化主要关注的 是软件架构、代码和软件行为，从其属性来看可分为静态和动态模式。综合各种 分类方法，软件可视化可分为软件架构可视化、代码级可视化和软件行为可视化。 软件架构的可视化，主要是可视化出软件组成模块，用于理解软件各组成模 块之间的关系。类似于利用u m l 建模方式展现软件组织架构。 代码级可视化，主要是对程序代码、数据结构的静态或动态特征进行的可视 化，根据代码书写规则，利用不同的字体大小、颜色和不同行缩进等对代码进行 标记，同时采取不同尺度视图分级显示代码，提高代码的可读性，可跟踪性和可 一 修改性。对于软件工程、程序分析、调试等工作很有帮助。 软件行为可视化，一般以研究和教学为目的，主要是软件执行算法的可视化 ( a l g o r i t h mv i s u a l i z a t i o n ，a v ) 2 3 , 2 6 2 8 1 ，用于理解各种数据结构和算法思想，重 6 ， l j i 东大学硕士学位论文 点是解决算法和数据结构的抽象性问题。要求可视化设计者对于代码有比较深入 的理解。对于算法理解、高校教学很有帮助。 事实上，以上三个方面的可视化是密不可分的，都要涉及到代码、控制流程、 数据结构等主要内容的可视化，其最主要的差别来自于可视化系统设计的初衷。 本文主要是关注o s 的算法和具体流程，侧重于软件行为的可视化。 2 1 3 软件可视化的关键问题 在设计软件可视化系统时，围绕着程序、映射和图形三个软件可视化的要素， 需要从软件对象本身的特征、待可视化的内容、系统的应用目的等角度出发考虑 一些关键问题。 1 可视化的应用范围，它是针对于某个实例还是适用于具有特定类型的任 意程序，是否要受到具体硬件条件、操作系统类型或编程语言种类的限制等。 2 可视化的内容，指要对程序的哪些方面进行可视化，侧重于程序的可视 化还是算法可视化或者二者兼顾。这里需要考虑的关键问题是根据具体的应用目 的定义哪些需要可视化的程序特征，通常的特征会定义为代码、数据、控制状态、 执行行为等。 3 可视化与被可视化软件之间的连接方法。当对一个软件对象进行可视化 时是否需要对源代码有一定程度的了解，可视化数据采集是否要影响和改动程序 源代码，可视化系统是否实现对于软件的完全自动可视化，可视化系统与被可视 化软件是否具有紧密的耦合性。 4 数据采集时间和可视化生成的时间。第一，数据采集时间指何时采集可 视化所需要的数据，在编译时进行还是运行时进行，如果是在运行时采集则需考 虑程序运行时间和可视化时间之间的映射