【大学课件】执行程序

执行程序我们每天都在使用各种各样的程序，例如浏览器、游戏、办公软件等。这些程序是如何工作的呢？什么是执行程序？指令集合执行程序是一组计算机指令，它们被组织成一个有序的序列，用于告诉计算机如何完成一项特定任务。程序代码这些指令通常用高级编程语言编写，然后被编译或解释成计算机可以理解的机器语言。可执行文件执行程序通常存储在可执行文件中，可以被操作系统加载并执行。执行程序的作用指导计算机执行任务提供解决方案，解决问题实现自动化操作，提高效率执行程序的结构一个执行程序通常由以下几部分组成：程序代码：包含了程序的指令和数据。数据段：用于存储程序运行过程中需要使用的变量和常量。堆栈段：用于存储函数调用和局部变量。堆段：用于动态内存分配。程序编译与执行的过程1源代码程序员编写的源代码，通常使用高级编程语言编写。2编译器将源代码转换为机器可以理解的指令。3目标代码编译器生成的机器指令，也称为可执行文件。4链接器将目标代码与系统库连接起来，生成可执行文件。5加载器将可执行文件加载到内存中，准备执行。6执行CPU执行可执行文件中的指令，完成程序功能。编译器和解释器的区别编译器将源代码一次性翻译成可执行的机器码，生成独立的执行文件。速度快，效率高，但灵活性较差。解释器逐行解释执行源代码，不需要生成独立的执行文件。灵活性高，可进行动态调试，但执行速度较慢。执行程序的状态运行状态程序正在执行，CPU正在处理其指令。就绪状态程序已准备就绪，等待CPU的分配。阻塞状态程序正在等待某个事件发生，例如I/O操作完成。进程的概念程序执行的实例进程代表一个正在运行的程序的实例，它包含了程序代码、数据、状态等信息。资源分配的单位操作系统将资源分配给进程，而不是程序本身，每个进程拥有独立的地址空间和资源。动态变化的实体进程的生命周期包含创建、运行、阻塞、终止等状态，它是一个动态变化的实体。进程的生命周期1创建进程创建需要系统资源分配2就绪等待CPU资源分配3运行正在使用CPU执行任务4阻塞等待I/O或其他事件5终止进程结束并释放资源进程的基本操作创建操作系统通过创建系统调用来创建一个新的进程。挂起将正在运行的进程暂停，并将它放到等待队列中。恢复从等待队列中选择一个进程，并恢复它的执行。终止释放进程占用的所有资源，并将其从系统中移除。进程控制块进程标识符唯一标识一个进程进程状态记录进程当前状态程序计数器指示下一条指令地址上下文切换1保存当前进程将CPU寄存器和进程状态保存到内存2加载新进程将新进程的状态加载到CPU寄存器3切换进程将CPU控制权转移到新进程程序计数器1指令指针程序计数器（PC）也称为指令指针，它是一个寄存器，用于存储要执行的下一条指令的地址。2顺序执行在大多数情况下，PC的值在执行完一条指令后自动增加，指向下一条指令的地址，实现程序的顺序执行。3跳转指令当遇到跳转指令时，PC的值会被修改，指向跳转目标指令的地址，实现程序的控制流转移。进程调度算法目的优化系统资源利用率，提高系统吞吐量，减少平均等待时间和响应时间。分类非抢占式：一旦进程开始执行，就一直运行到结束，除非该进程主动放弃CPU。抢占式：允许正在运行的进程被其他进程打断，以便其他进程有机会运行。考虑因素CPU利用率吞吐量平均等待时间响应时间先来先服务（FCFS）简单易懂按照进程到达的顺序进行调度，无需复杂的计算或比较。公平性所有进程都获得平等的机会，不会出现某些进程长期等待的情况。易于实现简单的FIFO队列即可实现，无需额外的复杂数据结构。最短作业优先(SJF)时间优化SJF算法旨在通过优先处理执行时间最短的作业来优化系统性能，从而减少平均等待时间和系统吞吐量。预测挑战SJF算法需要预先知道每个作业的执行时间，这在实际应用中可能无法准确预测，导致算法的实际效果与理论预期有所偏差。时间片轮转（RR）1分配时间片每个进程被分配一个固定时间片，在时间片内运行。2时间片结束时间片结束后，进程被强制切换到就绪队列，等待下一次调度。3循环调度调度器轮流调度就绪队列中的进程，保证所有进程都能获得CPU时间。优先级调度动态优先级根据进程的动态变化，例如CPU利用率、等待时间等，动态调整优先级。静态优先级预先设定每个进程的优先级，在整个运行过程中保持不变。优先级反转高优先级进程被低优先级进程阻塞，导致系统效率降低。多线程的概念轻量级进程线程是进程的一部分，是进程的执行单元。一个进程可以包含多个线程，它们共享进程的内存空间和资源。并发执行线程之间可以并发执行，提高程序的效率。例如，一个线程负责处理用户界面，另一个线程负责后台数据处理。资源共享同一进程内的多个线程共享进程的内存空间和资源，包括代码段、数据段、堆和文件等。线程的优缺点优点提高应用程序的响应能力。当一个线程被阻塞时，其他线程仍然可以运行，从而避免整个程序阻塞。更有效的利用系统资源。多个线程共享相同的内存空间和资源，可以更有效地利用系统资源。简化编程模型。使用线程可以将程序分解成更小的任务，更容易理解和维护。缺点线程同步问题。多个线程访问共享资源时，需要进行同步，否则可能会出现数据一致性问题。调试难度加大。由于多个线程同时运行，调试线程程序比调试单线程程序更困难。资源竞争问题。多个线程竞争使用相同的资源，可能会降低程序的性能。线程的实现用户级线程由应用程序管理线程，轻量级，快速创建和销毁。内核级线程由操作系统管理线程，重量级，由内核调度。线程调度时间片轮转每个线程分配一个时间片，轮流执行，时间片用完就切换到下一个线程。优先级调度每个线程分配一个优先级，优先级高的线程优先执行。随机调度随机选择一个线程进行执行，适用于对时间敏感性要求不高的场景。同步问题与临界区临界区是指多个进程需要访问的共享资源部分。多个进程同时访问临界区可能会导致数据不一致，产生同步问题。同步机制保证一次只有一个进程访问临界区，防止数据冲突。信号量机制概念信号量是一个整型变量，用于控制对共享资源的访问。操作有两个基本操作：wait和signal，用于等待或释放资源。用途广泛应用于同步问题，如生产者-消费者问题、读者-写者问题。管程机制共享资源管理管程是一种高级同步机制，用于管理共享资源，并确保对资源的访问是安全和有效的。封装数据和操作它将共享资源和对资源的操作封装在一个抽象数据类型中，称为“管程”。互斥访问控制管程机制确保一次只有一个线程可以访问共享资源，从而避免数据竞争和不一致。死锁及其处理定义死锁是指两个或多个进程因互相等待对方释放资源而陷入永久阻塞的状态，导致系统无法继续运行。原因死锁通常发生在多个进程竞争资源时，由于资源分配策略不当、并发访问方式不合理等原因导致。处理方法常见的死锁处理方法包括：死锁预防、死锁避免、死锁检测和死锁恢复。虚拟内存管理扩大地址空间通过将磁盘空间作为内存的一部分来扩大地址空间，允许运行更大、更复杂的程序。提高内存利用率仅加载正在使用的程序部分，有效利用内存，减少内存碎片，提高效率。支持多任务处理允许多个程序共享内存空间，提高系统资源利用率，支持更多用户同时运行程序。页面置换算法当内存已满，需要为新页面腾出空间时，选择哪个页面被替换，这就是页面置换算法的作用。页面置换算法的目标是减少页面失效次数，提高系统性能。常用的页面置换算法包括FIFO、LRU、OPT等，每种算法都有其优缺点和适用场景。磁盘管理与文件系统磁盘管理磁盘管理是操作系统中负责管理存储设备的模块。它将物理磁盘划分成逻辑存储单元，分配和回收磁盘空间，以及管理磁盘的读写操作。文件系统文件系统是组织和管理存储在磁盘上的文件和目录的一种层次结构。它提供了一种方便的方式来访问、存储和检索数据。输入输出设备管理键盘键盘是用户输入的主要方式，负责将字符和命令转化为计算机可识别的信号。鼠标鼠标用于控制光标位置和操作，是图形界面交互的重要工具。显示器显示器负责将计算机处理的结果以图形或文字的形式展现给用户。打印机打印机用于将电子文档或图像打印成纸质输出。综合实例讨论结合实际应用场景，深入探讨执行