【大学课件】执行程序

执行程序从编码到运行，了解程序如何执行。什么是执行程序？程序的载体执行程序是程序在计算机系统中运行的载体，它包含了程序的指令和数据。可执行文件执行程序通常以可执行文件的形式存储在磁盘上，例如.exe、.dll等。运行状态当程序被加载到内存中并开始执行时，它就处于执行程序状态。执行程序的特点动态性执行程序是动态变化的，其运行过程伴随着资源的分配和释放、状态的改变等。并发性多个执行程序可以在同一时间段内运行，利用系统资源，提高效率。异步性执行程序的运行时间是不确定的，可能受到其他因素的影响，例如系统资源竞争。执行程序的类型单道程序一次只运行一个程序，计算机资源分配给单个程序，直到程序结束才分配给下一个程序。多道程序多个程序同时驻留在内存中，并交替运行，提高了CPU利用率，增加了系统吞吐量。多任务程序允许一个用户同时执行多个程序，通常采用图形界面，并使用窗口来管理不同的任务。多线程程序一个程序可以包含多个线程，每个线程都代表一个执行路径，并可以独立执行，提高了程序执行效率。单道程序执行1一个程序系统一次只能运行一个程序2顺序执行程序从头到尾依次执行3低效CPU经常处于空闲状态多道程序执行1资源利用率提升多个程序同时运行，最大限度利用CPU和内存资源，提高系统效率。2响应时间缩短多个用户或多个任务可以共享系统资源，减少等待时间，提升用户体验。3系统吞吐量增加多个程序并行执行，可以处理更多的任务，提高系统整体吞吐量。进程的概念程序执行一个正在运行的程序，包含了指令和数据资源分配一个进程拥有自己的内存空间、文件和I/O设备状态变化进程在运行过程中会处于不同的状态，比如运行、就绪、阻塞进程的状态运行态进程正在被CPU执行，正在使用CPU的时间片。就绪态进程已准备好运行，但正在等待CPU时间片。阻塞态进程正在等待某个事件，例如I/O操作完成或资源可用。进程切换1保存状态当前进程的CPU寄存器、程序计数器和其他状态信息被保存到内存。2加载状态下一个进程的状态信息被加载到CPU寄存器和程序计数器中。3恢复执行下一个进程开始执行。进程创建分配资源为新进程分配必要的资源，包括内存、CPU时间、文件、I/O设备等。创建PCB为新进程创建一个进程控制块（PCB），保存进程的必要信息，如进程标识符、状态、程序计数器、内存地址等。初始化PCB初始化PCB中的一些关键信息，例如进程状态设置为就绪状态，程序计数器设置为程序入口地址等。将PCB加入进程队列将新创建的PCB加入到相应的进程队列中，等待调度器分配时间片进行执行。进程终止1正常终止进程完成任务后主动退出2异常终止由于错误或异常情况导致进程终止3外部干预操作系统或其他进程强制终止进程进程通信进程间的信息交换共享数据或资源协调进程执行进程同步协调进程进程同步是指多个进程协同工作，共享资源，避免冲突。进程同步的主要目的是确保多个进程能够按预期顺序执行，并协调它们对共享资源的访问。避免竞争条件当多个进程访问共享资源时，如果执行顺序不当，可能会导致数据错误或系统崩溃，这种情况称为竞争条件。进程同步的主要任务就是解决竞争条件，确保数据的一致性和完整性。资源管理进程同步还可以用于管理共享资源，例如打印机、数据库等，确保多个进程能够有序地使用这些资源。互斥访问定义互斥访问是指多个进程访问同一共享资源时，任何时刻只允许一个进程访问，其他进程必须等待。目的防止多个进程同时访问共享资源导致数据不一致或错误，确保数据完整性和一致性。信号量机制计数器记录可用资源的数量。等待队列用于存放等待资源的进程。操作P操作：申请资源，如果资源不可用则等待；V操作：释放资源，唤醒等待的进程。管程机制同步和互斥管程提供了一种机制，用于确保多个进程对共享资源的访问是同步的，并且互斥的访问。数据结构管程包含共享资源的定义以及访问这些资源的过程。它提供了一种抽象的机制，可以简化对共享资源的管理。死锁资源竞争多个进程竞争有限的资源，导致相互等待。循环等待进程间形成循环等待资源，无法释放资源。死锁的必要条件相互排斥:资源只能被一个进程使用，其他进程必须等待。占有且等待:进程持有至少一个资源，同时等待获取其他资源。不可剥夺:进程已获得的资源不能被强制剥夺，只能由进程自行释放。循环等待:存在一个封闭的进程资源环路，每个进程都在等待环路中下一个进程释放的资源。死锁的预防破坏互斥条件某些资源可以被多个进程共享，但这并不总是可行的。破坏占有并请求条件进程在请求资源之前，必须释放已占有的所有资源。破坏部分分配条件允许进程一次性请求所有所需的资源，要么全分配，要么都不分配。破坏循环等待条件通过对所有资源进行编号，并要求进程按照资源号递增的顺序请求资源，避免循环等待的发生。死锁的检测与解决1检测使用专门的算法定期检查系统资源分配情况，判断是否存在死锁状态。2解除一旦检测到死锁，需要采取措施来解除死锁，例如撤销进程或抢占资源。3预防采取措施来防止死锁的发生，例如破坏死锁的必要条件。内存管理概述内存管理是操作系统中一项重要的功能，负责管理计算机系统中的内存资源。内存管理的目标是：有效地利用内存空间，提高系统性能，并确保程序安全运行。内存分配策略首次适应算法从内存的低地址开始查找，找到第一个满足大小要求的空闲分区分配给进程。最佳适应算法从内存中查找一个最接近进程大小的空闲分区分配给进程。最坏适应算法从内存中查找一个最大的空闲分区分配给进程。虚拟内存扩大地址空间虚拟内存允许程序使用比物理内存更大的地址空间，突破物理内存的限制。提高程序并发度多个程序可以共享同一个物理内存，提高内存利用率，从而提升系统并发度。简化内存管理虚拟内存提供了一个统一的地址空间，简化了程序员的内存管理工作。页面置换算法最久未使用(LRU)选择最长时间未被访问的页面进行替换。先进先出(FIFO)选择最先进入内存的页面进行替换。时钟算法结合FIFO和LRU的优点，在内存中维护一个循环队列，每次选择最近使用时间最早的页面进行替换。文件管理概述文件管理是操作系统的重要组成部分，负责对文件进行组织、存储和访问。文件组织文件系统将文件组织成树状结构，方便用户管理和检索。访问控制操作系统提供访问控制机制，确保文件安全性和完整性。数据备份文件管理支持数据备份和恢复功能，防止数据丢失。文件的存储组织顺序存储文件被存放在连续的磁盘块中。链接存储文件存储在不连续的磁盘块中，块地址通过指针链接。索引存储文件存储在不连续的磁盘块中，块地址通过索引节点记录。文件的访问方式顺序访问从文件开头开始顺序读取或写入数据，必须按顺序访问每个数据块。直接访问直接访问文件中的任何数据块，无需按顺序访问，适合随机访问。索引访问通过索引表来访问文件，索引表记录每个数据块的地址，提供快速访问。文件共享与保护共享方式多种方式，例如：共享目录、文件链接、网络文件系统等。保护机制访问控制、权限管理、加密技术等，保证文件安全。安全考虑病毒、恶意软件、数据泄露等威胁需要考虑。I/O设备管理I/O设备管理是操作系统的重要组成部分，负责管理计算机系统中的各种输入输出设备。它主要负责：设备的分配和回收、数据传输的控制、设备的故障检测和处理、以及设备驱动程序的管理。磁盘调度算法先来先服务(FCFS)简单易