《執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課件

執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是軟件開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，涉及架構(gòu)、組件、數(shù)據(jù)流等方面的規(guī)劃和決策。課程簡(jiǎn)介課程目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)生深入理解執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，掌握任務(wù)調(diào)度、資源分配等關(guān)鍵技術(shù)。課程內(nèi)容執(zhí)行系統(tǒng)概念與特點(diǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的基本組成部分任務(wù)調(diào)度算法資源配置算法進(jìn)程同步機(jī)制死鎖問題實(shí)時(shí)執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)的概念及特點(diǎn)執(zhí)行系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的一部分，負(fù)責(zé)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，為用戶提供運(yùn)行環(huán)境。執(zhí)行系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括：并發(fā)性、共享性、異步性和虛擬性。執(zhí)行系統(tǒng)的基本組成部分處理器處理器的核心是中央處理器(CPU)，它負(fù)責(zé)執(zhí)行程序指令，處理數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)運(yùn)行。處理器是執(zhí)行系統(tǒng)中的核心組件，負(fù)責(zé)所有程序的運(yùn)行。內(nèi)存內(nèi)存是用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的臨時(shí)存儲(chǔ)空間，快速訪問和寫入數(shù)據(jù)。內(nèi)存容量和速度直接影響系統(tǒng)性能，是執(zhí)行系統(tǒng)不可或缺的一部分。I/O設(shè)備I/O設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、硬盤、顯示器等，負(fù)責(zé)與外部世界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。I/O設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入和輸出，是連接執(zhí)行系統(tǒng)與外部世界的橋梁。系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線是連接處理器、內(nèi)存和I/O設(shè)備的橋梁，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和控制信號(hào)傳遞?？偩€速度和帶寬直接影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率，是執(zhí)行系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制1.任務(wù)接收?qǐng)?zhí)行系統(tǒng)接收來自用戶的程序或任務(wù)請(qǐng)求。2.任務(wù)分配系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)和資源需求進(jìn)行分配，將任務(wù)分配給相應(yīng)的處理器或資源。3.任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的調(diào)度算法決定任務(wù)的執(zhí)行順序，并管理任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。4.資源管理系統(tǒng)分配和管理各種系統(tǒng)資源，如內(nèi)存、外設(shè)、文件系統(tǒng)等。5.任務(wù)執(zhí)行分配到的任務(wù)在系統(tǒng)中執(zhí)行，并在執(zhí)行過程中管理程序狀態(tài)和資源分配。6.任務(wù)完成任務(wù)完成后，釋放所占用的資源，并向用戶提供執(zhí)行結(jié)果。執(zhí)行系統(tǒng)的性能指標(biāo)執(zhí)行系統(tǒng)的性能指標(biāo)用于評(píng)估系統(tǒng)的效率和可靠性。這些指標(biāo)可以幫助我們了解系統(tǒng)在不同負(fù)載情況下的表現(xiàn)，從而優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)性能。常見的性能指標(biāo)包括吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、CPU使用率、內(nèi)存使用率等，通過監(jiān)控這些指標(biāo)，我們可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能問題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行優(yōu)化。執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法論11.需求分析確定系統(tǒng)的功能需求、性能需求和可靠性需求，并進(jìn)行詳細(xì)分析。22.系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)、模塊劃分、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接口設(shè)計(jì)等，并進(jìn)行系統(tǒng)建模。33.代碼實(shí)現(xiàn)根據(jù)設(shè)計(jì)文檔進(jìn)行編程，并進(jìn)行單元測(cè)試、集成測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試。44.系統(tǒng)部署將系統(tǒng)部署到目標(biāo)環(huán)境中，并進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)和更新。任務(wù)調(diào)度算法任務(wù)調(diào)度操作系統(tǒng)中的核心機(jī)制，用于管理和分配系統(tǒng)資源，特別是CPU資源，以確保多個(gè)任務(wù)高效運(yùn)行。任務(wù)管理調(diào)度算法決定了哪些任務(wù)獲得CPU時(shí)間，以及每個(gè)任務(wù)運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間。系統(tǒng)性能調(diào)度算法直接影響系統(tǒng)性能，包括CPU利用率、系統(tǒng)吞吐量、響應(yīng)時(shí)間等。任務(wù)調(diào)度算法的分類非搶占式調(diào)度算法一旦一個(gè)進(jìn)程開始執(zhí)行，它將一直運(yùn)行，直到完成或主動(dòng)放棄CPU。搶占式調(diào)度算法一個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程可以被其他優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程中斷，并被暫停。靜態(tài)調(diào)度算法在系統(tǒng)啟動(dòng)前，所有任務(wù)的調(diào)度策略就已經(jīng)確定，不會(huì)在運(yùn)行時(shí)改變。動(dòng)態(tài)調(diào)度算法根據(jù)任務(wù)到達(dá)時(shí)間、運(yùn)行時(shí)間等動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度策略會(huì)隨著系統(tǒng)狀態(tài)的改變而調(diào)整。先來先服務(wù)算法1FIFO先來先服務(wù)(FIFO)算法2簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)3公平每個(gè)任務(wù)等待時(shí)間相同4低效長(zhǎng)任務(wù)可能阻塞短任務(wù)先來先服務(wù)(FIFO)算法是最簡(jiǎn)單、最常用的調(diào)度算法之一。它按照任務(wù)到達(dá)順序執(zhí)行，不考慮任務(wù)的優(yōu)先級(jí)或執(zhí)行時(shí)間。這種算法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)所有任務(wù)都是公平的。然而，它可能導(dǎo)致效率低下，因?yàn)殚L(zhǎng)任務(wù)可能會(huì)阻塞短任務(wù)的執(zhí)行。最短作業(yè)優(yōu)先算法1算法思路選擇最短作業(yè)時(shí)間，先執(zhí)行。2優(yōu)勢(shì)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間短，資源利用率高。3缺點(diǎn)長(zhǎng)作業(yè)等待時(shí)間長(zhǎng)，可能造成饑餓現(xiàn)象。最短作業(yè)優(yōu)先算法(SJF)是非搶占式調(diào)度算法。當(dāng)有多個(gè)作業(yè)等待執(zhí)行時(shí)，選擇最短作業(yè)時(shí)間（即執(zhí)行時(shí)間最短的作業(yè)）優(yōu)先執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)由作業(yè)的執(zhí)行時(shí)間決定。最短剩余時(shí)間優(yōu)先算法1算法原理該算法優(yōu)先選擇剩余運(yùn)行時(shí)間最短的任務(wù)，旨在提高系統(tǒng)吞吐量。2優(yōu)點(diǎn)能夠有效減少平均等待時(shí)間，提高系統(tǒng)效率。3缺點(diǎn)可能導(dǎo)致較長(zhǎng)的任務(wù)長(zhǎng)期得不到執(zhí)行，需要結(jié)合其他算法進(jìn)行優(yōu)化。搶占式最短作業(yè)優(yōu)先算法基本原理該算法會(huì)選擇剩余執(zhí)行時(shí)間最短的任務(wù)進(jìn)行執(zhí)行。搶占機(jī)制當(dāng)一個(gè)新的任務(wù)到達(dá)，并且其剩余執(zhí)行時(shí)間比當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù)更短時(shí)，會(huì)立即搶占當(dāng)前任務(wù)的執(zhí)行。優(yōu)點(diǎn)能夠有效地減少平均等待時(shí)間，提高系統(tǒng)的吞吐量，并能更好地滿足短任務(wù)的需要。缺點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)任務(wù)不利，可能導(dǎo)致長(zhǎng)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間無法獲得執(zhí)行機(jī)會(huì)，從而影響系統(tǒng)的整體性能。資源配置算法11.資源分配執(zhí)行系統(tǒng)需要根據(jù)任務(wù)需求分配系統(tǒng)資源，如CPU時(shí)間、內(nèi)存空間、外設(shè)等。22.資源管理系統(tǒng)需要合理管理和調(diào)度分配的資源，保證資源的有效利用，防止資源浪費(fèi)和沖突。33.算法選擇根據(jù)系統(tǒng)需求和性能目標(biāo)選擇合適的資源配置算法，例如最大可用資源算法、最少剩余資源算法等。44.性能評(píng)估評(píng)估不同資源配置算法的性能，如資源利用率、吞吐量、響應(yīng)時(shí)間等，選擇最優(yōu)的算法。資源配置算法的分類靜態(tài)資源配置算法在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)分配資源，運(yùn)行期間不會(huì)改變。適用于批處理系統(tǒng)或資源需求相對(duì)固定的情況。動(dòng)態(tài)資源配置算法在系統(tǒng)運(yùn)行過程中根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)分配資源，更靈活，適應(yīng)性強(qiáng)?；旌腺Y源配置算法結(jié)合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分配方式，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提高資源利用率。最大可用資源算法1分配策略根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)中所有可用的資源進(jìn)行分配2最大分配優(yōu)先分配給請(qǐng)求資源最多的進(jìn)程3公平性確保所有進(jìn)程都能獲得必要的資源4效率最大限度地利用系統(tǒng)資源最大可用資源算法是一種常見的資源配置算法。此算法通過評(píng)估當(dāng)前系統(tǒng)中所有可用的資源，然后將其分配給請(qǐng)求資源最多的進(jìn)程，以確保系統(tǒng)資源的最佳利用率。最少剩余資源算法1算法原理該算法根據(jù)進(jìn)程請(qǐng)求資源數(shù)量與系統(tǒng)中剩余資源數(shù)量的差值，選擇差值最小的進(jìn)程進(jìn)行資源分配。2算法流程計(jì)算每個(gè)進(jìn)程所需的資源和系統(tǒng)剩余資源之間的差值，選擇差值最小的進(jìn)程優(yōu)先分配資源，這樣可以最大限度地利用系統(tǒng)資源。3算法優(yōu)點(diǎn)可以有效地提高資源利用率，減少系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，提高系統(tǒng)整體性能。優(yōu)先級(jí)資源分配算法優(yōu)先級(jí)資源分配算法是根據(jù)任務(wù)或進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)來分配系統(tǒng)資源的算法。它可以有效地將資源分配給更重要的任務(wù)，從而提高系統(tǒng)的整體效率。1高優(yōu)先級(jí)任務(wù)優(yōu)先獲得資源2中等優(yōu)先級(jí)任務(wù)獲得次級(jí)資源3低優(yōu)先級(jí)任務(wù)最后獲得資源常見的優(yōu)先級(jí)資源分配算法包括：基于時(shí)間片的優(yōu)先級(jí)算法和基于資源需求的優(yōu)先級(jí)算法。時(shí)間片優(yōu)先級(jí)算法將時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間片，根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)分配不同長(zhǎng)度的時(shí)間片，而資源需求優(yōu)先級(jí)算法則根據(jù)任務(wù)對(duì)資源的需求量進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。進(jìn)程同步機(jī)制進(jìn)程同步機(jī)制進(jìn)程同步機(jī)制是指在多道程序環(huán)境下，多個(gè)進(jìn)程訪問共享資源時(shí)，必須協(xié)調(diào)它們的操作，以防止多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的錯(cuò)誤訪問。實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步進(jìn)程同步機(jī)制通過信號(hào)量、管程、消息傳遞等方法來實(shí)現(xiàn)，保證對(duì)共享資源訪問的互斥性，防止數(shù)據(jù)不一致問題。應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)程同步機(jī)制廣泛應(yīng)用于操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。信號(hào)量機(jī)制1定義信號(hào)量是一種抽象數(shù)據(jù)類型，用于控制對(duì)共享資源的訪問。2操作信號(hào)量提供兩種原子操作：等待和信號(hào)。3作用信號(hào)量用于同步進(jìn)程，確保資源安全地共享。信號(hào)量通過計(jì)數(shù)器來跟蹤可用資源的數(shù)量。等待操作會(huì)檢查計(jì)數(shù)器是否大于零，如果大于零，則減計(jì)數(shù)器并繼續(xù)執(zhí)行；否則，等待操作會(huì)阻塞當(dāng)前進(jìn)程，直到計(jì)數(shù)器大于零。信號(hào)操作會(huì)增加計(jì)數(shù)器，并喚醒一個(gè)或多個(gè)等待的進(jìn)程。管程機(jī)制1概念管程是一種高級(jí)同步機(jī)制，用于管理共享資源。它包含數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作共享資源的一組過程。2結(jié)構(gòu)管程封裝了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作它們的進(jìn)程，僅允許經(jīng)過管程內(nèi)部定義的入口才能訪問共享數(shù)據(jù)。它是一種抽象的數(shù)據(jù)類型。3優(yōu)勢(shì)管程可以簡(jiǎn)化同步代碼，降低并發(fā)程序的復(fù)雜性，防止競(jìng)爭(zhēng)條件，提高代碼可讀性和可維護(hù)性。死鎖的概念和產(chǎn)生條件死鎖定義多個(gè)進(jìn)程互相等待對(duì)方持有的資源，造成互相阻塞，無法繼續(xù)執(zhí)行。產(chǎn)生條件互斥條件、占有且等待條件、不可剝奪條件、循環(huán)等待條件。死鎖的影響系統(tǒng)資源浪費(fèi)，系統(tǒng)吞吐量降低，系統(tǒng)性能下降。死鎖的預(yù)防與避免預(yù)防預(yù)防死鎖是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中采取措施，防止死鎖的發(fā)生。例如，采用資源有序分配策略，避免多個(gè)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)同一資源，并使用信號(hào)量機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步，確保進(jìn)程之間的正常協(xié)作。避免避免死鎖是指在系統(tǒng)運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)地檢測(cè)和處理潛在的死鎖，采取措施避免死鎖的發(fā)生。例如，使用銀行家算法，在分配資源之前進(jìn)行檢查，確保資源分配不會(huì)導(dǎo)致死鎖發(fā)生。死鎖的檢測(cè)與解決檢測(cè)死鎖使用資源分配圖或算法來檢測(cè)系統(tǒng)中是否存在死鎖。解除死鎖重新啟動(dòng)系統(tǒng)或撤銷部分進(jìn)程以打破死鎖狀態(tài)。預(yù)防死鎖采用措施防止死鎖的發(fā)生，例如使用資源分配算法。避免死鎖通過動(dòng)態(tài)資源分配策略來避免死鎖的發(fā)生。實(shí)時(shí)執(zhí)行系統(tǒng)的特點(diǎn)實(shí)時(shí)執(zhí)行系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)時(shí)間敏感性，需要在嚴(yán)格的時(shí)間限制內(nèi)完成任務(wù)。實(shí)時(shí)性要求系統(tǒng)對(duì)事件做出快速反應(yīng)，并及時(shí)處理數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)執(zhí)行系統(tǒng)通常需要處理高數(shù)據(jù)流速率和低延遲需求。此外，實(shí)時(shí)執(zhí)行系統(tǒng)還需要保證可靠性，防止錯(cuò)誤發(fā)生，并具有容錯(cuò)能力。實(shí)時(shí)執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及時(shí)性實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要滿足嚴(yán)格的時(shí)間要求，確保在特定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)，避免延誤導(dǎo)致錯(cuò)誤或失效?？煽啃詫?shí)時(shí)系統(tǒng)需要具備高度的可靠性，即使在故障或異常情況下也能正常運(yùn)行，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性?？深A(yù)測(cè)性實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要具備可預(yù)測(cè)性，保證系統(tǒng)在不同的負(fù)載和環(huán)境下也能保持穩(wěn)定的性能，例如響應(yīng)時(shí)間、吞吐量等。資源管理實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要有效管理系統(tǒng)資源，例如內(nèi)存、CPU、網(wǎng)絡(luò)等，保證關(guān)鍵任務(wù)獲得充足的資源，防止資源競(jìng)爭(zhēng)或耗盡。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度1周期性任務(wù)調(diào)度定期執(zhí)行，例如每秒執(zhí)行一次2事件驅(qū)動(dòng)任務(wù)調(diào)度由外部事件觸發(fā)，例如傳感器觸發(fā)3混合任務(wù)調(diào)度結(jié)合周期性任務(wù)和事件驅(qū)動(dòng)任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度是指根據(jù)實(shí)時(shí)性要求，將任務(wù)分配到不同的處理器上，并決定任務(wù)的執(zhí)行順序和時(shí)間。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度必須滿足嚴(yán)格的時(shí)間約束，以保證系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的資源管理內(nèi)存管理實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要確保關(guān)鍵任務(wù)能夠訪問到足夠的內(nèi)存資源，防止內(nèi)存泄漏或碎片化。處理器管理實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)分配處理器時(shí)間片，保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)及時(shí)完成。設(shè)備管理實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要有效管理各種硬件設(shè)備，如傳感器、執(zhí)行器等，確保它們能夠按需使用。通信管理實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要確保任務(wù)之間能夠可靠地進(jìn)行通信，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性和安全性。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的錯(cuò)誤處理錯(cuò)誤檢測(cè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常使