看操作系統(tǒng)對程序的執(zhí)行過程有哪些支持


通過一個(gè)C程序,看操作系統(tǒng)做了什么:

一個(gè)C程序:helloworld

這個(gè)程序的功能是調(diào)用puts函數(shù),在標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備(顯示器)上顯示字符串hello world


1. (用戶)要啟動(dòng)程序執(zhí)行,用戶告訴操作系統(tǒng)執(zhí)行hello world程序(如何告知?

??? -- 命令行鍵入相應(yīng)的命令

??? -- 通過鼠標(biāo)雙擊hello world程序的圖標(biāo)

2. (操作系統(tǒng))操作系統(tǒng)接到用戶的請求之后,就會(huì)根據(jù)用戶提供的文件名,到磁盤上找到hello world程序的相關(guān)信息,檢查其類型是否是可執(zhí)行文件;并通過程序首部信息, 確定代碼和數(shù)據(jù)在可執(zhí)行文件中的位置并計(jì)算出對應(yīng)的磁盤塊地址(文件格式?

? ? -- Windows:PE

? ? -- Linux:ELF

3. (操作系統(tǒng))為了執(zhí)行這個(gè)hello world程序,操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程,并將hello world可執(zhí)行文件格式映射到該進(jìn)程結(jié)構(gòu),表示由該進(jìn)程執(zhí)行hello world程序

4. (操作系統(tǒng))操作系統(tǒng)為hello world程序設(shè)置CPU上下文環(huán)境,并跳到程序開始處,準(zhǔn)備執(zhí)行這個(gè)程序,下一個(gè)指令周期,就是執(zhí)行hello world程序

5. (CPU)假設(shè)調(diào)度程序正好選中hello world程序,操作系統(tǒng)把控制權(quán)交給了調(diào)度程序,執(zhí)行hello world程序的第一條指令,發(fā)生缺頁異常。程序在執(zhí)行的時(shí)候,先要把程序的代碼和數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存,CPU才能執(zhí)行,但是hello world的代碼和數(shù)據(jù)還沒有讀入內(nèi)存,所以這個(gè)時(shí)候硬件機(jī)制就會(huì)捕獲缺頁異常,并且把控制權(quán)交給操作系統(tǒng)

6. (操作系統(tǒng))操作系統(tǒng)管理了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的內(nèi)存,比如采用頁式存儲(chǔ)方案的話,內(nèi)存就有很多的物理頁面,操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊就會(huì)分配一頁空閑的物理內(nèi)存,并且根據(jù)前面計(jì)算出的磁盤塊地址把hello world程序的代碼從磁盤讀入內(nèi)存,然后繼續(xù)執(zhí)行hello world程序,有的時(shí)候程序很大,一頁內(nèi)存還不夠,因此在執(zhí)行過程中會(huì)多次地產(chǎn)生缺頁異常,然后從磁盤讀入程序到內(nèi)存

7. (CPU)hello world程序執(zhí)行puts函數(shù)(系統(tǒng)調(diào)用,由操作系統(tǒng)完成),在顯示器(標(biāo)準(zhǔn)輸出設(shè)備)上寫(顯示)一字符串

8. (操作系統(tǒng))找到要將字符串送往的顯示設(shè)備,通常設(shè)備是由一個(gè)進(jìn)程控制的,所以,操作系統(tǒng)將要寫的字符串送給該進(jìn)程

9. (操作系統(tǒng))控制設(shè)備的進(jìn)程告訴設(shè)備的窗口系統(tǒng)它要顯示字符串,窗口系統(tǒng)確定這是一個(gè)合法的操作,然后將字符串轉(zhuǎn)換成像素,將像素寫入設(shè)備的存儲(chǔ)映像區(qū)

10. 視頻硬件將像素轉(zhuǎn)換成顯示器可接收的一組控制/數(shù)據(jù)信號(hào)

11. 顯示器解釋信號(hào),激發(fā)液晶屏

12. 在屏幕上看到了“hello world”



從上述步驟中得到什么?

從上述步驟中得到什么?

在CPU上執(zhí)行一個(gè)用戶程序,這個(gè)用戶程序會(huì)不時(shí)地去請求操作系統(tǒng)的服務(wù),因此在CPU上,時(shí)而運(yùn)行的是用戶程序,時(shí)而運(yùn)行的是操作系統(tǒng)的程序

hello world程序在執(zhí)行的時(shí)候需要操作系統(tǒng)來創(chuàng)建進(jìn)程,因此轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程,進(jìn)程創(chuàng)建完了以后從操作系統(tǒng)返回,接著執(zhí)行hello world程序

出現(xiàn)了缺頁異常以后,控制權(quán)又轉(zhuǎn)回了操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)分配物理內(nèi)存給用戶程序,然后又轉(zhuǎn)向用戶程序接著執(zhí)行

然后hello world程序要執(zhí)行puts函數(shù),又轉(zhuǎn)向了操作系統(tǒng)

這是從用戶程序在執(zhí)行過程不斷請求操作系統(tǒng)服務(wù)這個(gè)角度來看程序執(zhí)行的過程


換個(gè)角度看用戶程序的執(zhí)行


換個(gè)角度看用戶程序的執(zhí)行

操作系統(tǒng)在執(zhí)行過程中,通過調(diào)度選中一個(gè)程序然后執(zhí)行

程序執(zhí)行過程中會(huì)不斷地陷入操作系統(tǒng),由操作系統(tǒng)完成一些服務(wù)

然后再通過調(diào)度再選中程序再執(zhí)行


Summary

在一個(gè)程序的執(zhí)行過程中,操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)了這個(gè)程序的啟動(dòng)過程,負(fù)責(zé)了這個(gè)程序的執(zhí)行過程。同時(shí),在執(zhí)行過程中,不斷地為用戶程序執(zhí)行提供各種各樣的支持


(完)



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