執行系統設計系統設計是軟件開發的重要環節，涉及架構、組件、數據流等方面的規劃和決策。課程簡介課程目標本課程旨在幫助學生深入理解執行系統的設計原理，掌握任務調度、資源分配等關鍵技術。課程內容執行系統概念與特點執行系統的基本組成部分任務調度算法資源配置算法進程同步機制死鎖問題實時執行系統執行系統的概念及特點執行系統是操作系統的一部分，負責管理計算機系統資源，為用戶提供運行環境。執行系統的主要特點包括：并發性、共享性、異步性和虛擬性。執行系統的基本組成部分處理器處理器的核心是中央處理器(CPU)，它負責執行程序指令，處理數據，控制系統運行。處理器是執行系統中的核心組件，負責所有程序的運行。內存內存是用于存儲程序和數據的臨時存儲空間，快速訪問和寫入數據。內存容量和速度直接影響系統性能，是執行系統不可或缺的一部分。I/O設備I/O設備包括鍵盤、鼠標、硬盤、顯示器等，負責與外部世界進行數據交互。I/O設備負責數據輸入和輸出，是連接執行系統與外部世界的橋梁。系統總線系統總線是連接處理器、內存和I/O設備的橋梁，負責數據傳輸和控制信號傳遞?？偩€速度和帶寬直接影響系統數據傳輸效率，是執行系統的重要基礎設施。執行系統的運行機制1.任務接收執行系統接收來自用戶的程序或任務請求。2.任務分配系統根據任務的優先級和資源需求進行分配，將任務分配給相應的處理器或資源。3.任務調度系統根據預定的調度算法決定任務的執行順序，并管理任務的執行時間。4.資源管理系統分配和管理各種系統資源，如內存、外設、文件系統等。5.任務執行分配到的任務在系統中執行，并在執行過程中管理程序狀態和資源分配。6.任務完成任務完成后，釋放所占用的資源，并向用戶提供執行結果。執行系統的性能指標執行系統的性能指標用于評估系統的效率和可靠性。這些指標可以幫助我們了解系統在不同負載情況下的表現，從而優化系統設計，提高系統性能。常見的性能指標包括吞吐量、響應時間、CPU使用率、內存使用率等，通過監控這些指標，我們可以及時發現系統性能問題，并采取相應的措施進行優化。執行系統的設計方法論11.需求分析確定系統的功能需求、性能需求和可靠性需求，并進行詳細分析。22.系統設計設計系統的整體架構、模塊劃分、數據結構、接口設計等，并進行系統建模。33.代碼實現根據設計文檔進行編程，并進行單元測試、集成測試和系統測試。44.系統部署將系統部署到目標環境中，并進行系統維護和更新。任務調度算法任務調度操作系統中的核心機制，用于管理和分配系統資源，特別是CPU資源，以確保多個任務高效運行。任務管理調度算法決定了哪些任務獲得CPU時間，以及每個任務運行多長時間。系統性能調度算法直接影響系統性能，包括CPU利用率、系統吞吐量、響應時間等。任務調度算法的分類非搶占式調度算法一旦一個進程開始執行，它將一直運行，直到完成或主動放棄CPU。搶占式調度算法一個正在運行的進程可以被其他優先級更高的進程中斷，并被暫停。靜態調度算法在系統啟動前，所有任務的調度策略就已經確定，不會在運行時改變。動態調度算法根據任務到達時間、運行時間等動態信息進行調度，調度策略會隨著系統狀態的改變而調整。先來先服務算法1FIFO先來先服務(FIFO)算法2簡單易于實現3公平每個任務等待時間相同4低效長任務可能阻塞短任務先來先服務(FIFO)算法是最簡單、最常用的調度算法之一。它按照任務到達順序執行，不考慮任務的優先級或執行時間。這種算法簡單易于實現，對所有任務都是公平的。然而，它可能導致效率低下，因為長任務可能會阻塞短任務的執行。最短作業優先算法1算法思路選擇最短作業時間，先執行。2優勢平均周轉時間短，資源利用率高。3缺點長作業等待時間長，可能造成饑餓現象。最短作業優先算法(SJF)是非搶占式調度算法。當有多個作業等待執行時，選擇最短作業時間（即執行時間最短的作業）優先執行，優先級由作業的執行時間決定。最短剩余時間優先算法1算法原理該算法優先選擇剩余運行時間最短的任務，旨在提高系統吞吐量。2優點能夠有效減少平均等待時間，提高系統效率。3缺點可能導致較長的任務長期得不到執行，需要結合其他算法進行優化。搶占式最短作業優先算法基本原理該算法會選擇剩余執行時間最短的任務進行執行。搶占機制當一個新的任務到達，并且其剩余執行時間比當前正在執行的任務更短時，會立即搶占當前任務的執行。優點能夠有效地減少平均等待時間，提高系統的吞吐量，并能更好地滿足短任務的需要。缺點對長任務不利，可能導致長任務長時間無法獲得執行機會，從而影響系統的整體性能。資源配置算法11.資源分配執行系統需要根據任務需求分配系統資源，如CPU時間、內存空間、外設等。22.資源管理系統需要合理管理和調度分配的資源，保證資源的有效利用，防止資源浪費和沖突。33.算法選擇根據系統需求和性能目標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.性能評估評估不同資源配置算法的性能，如資源利用率、吞吐量、響應時間等，選擇最優的算法。資源配置算法的分類靜態資源配置算法在系統啟動時分配資源，運行期間不會改變。適用于批處理系統或資源需求相對固定的情況。動態資源配置算法在系統運行過程中根據實際情況動態分配資源，更靈活，適應性強。混合資源配置算法結合靜態和動態分配方式，在保證系統穩定性的基礎上，提高資源利用率。最大可用資源算法1分配策略根據當前系統中所有可用的資源進行分配2最大分配優先分配給請求資源最多的進程3公平性確保所有進程都能獲得必要的資源4效率最大限度地利用系統資源最大可用資源算法是一種常見的資源配置算法。此算法通過評估當前系統中所有可用的資源，然后將其分配給請求資源最多的進程，以確保系統資源的最佳利用率。最少剩余資源算法1算法原理該算法根據進程請求資源數量與系統中剩余資源數量的差值，選擇差值最小的進程進行資源分配。2算法流程計算每個進程所需的資源和系統剩余資源之間的差值，選擇差值最小的進程優先分配資源，這樣可以最大限度地利用系統資源。3算法優點可以有效地提高資源利用率，減少系統資源的浪費，提高系統整體性能。優先級資源分配算法優先級資源分配算法是根據任務或進程的優先級來分配系統資源的算法。它可以有效地將資源分配給更重要的任務，從而提高系統的整體效率。1高優先級任務優先獲得資源2中等優先級任務獲得次級資源3低優先級任務最后獲得資源常見的優先級資源分配算法包括：基于時間片的優先級算法和基于資源需求的優先級算法。時間片優先級算法將時間劃分為多個時間片，根據任務的優先級分配不同長度的時間片，而資源需求優先級算法則根據任務對資源的需求量進行優先級排序。進程同步機制進程同步機制進程同步機制是指在多道程序環境下，多個進程訪問共享資源時，必須協調它們的操作，以防止多個進程對共享資源的錯誤訪問。實現進程同步進程同步機制通過信號量、管程、消息傳遞等方法來實現，保證對共享資源訪問的互斥性，防止數據不一致問題。應用場景進程同步機制廣泛應用于操作系統、數據庫系統、網絡通信等領域，確保系統穩定可靠地運行。信號量機制1定義信號量是一種抽象數據類型，用于控制對共享資源的訪問。2操作信號量提供兩種原子操作：等待和信號。3作用信號量用于同步進程，確保資源安全地共享。信號量通過計數器來跟蹤可用資源的數量。等待操作會檢查計數器是否大于零，如果大于零，則減計數器并繼續執行；否則，等待操作會阻塞當前進程，直到計數器大于零。信號操作會增加計數器，并喚醒一個或多個等待的進程。管程機制1概念管程是一種高級同步機制，用于管理共享資源。它包含數據結構和操作共享資源的一組過程。2結構管程封裝了數據結構和操作它們的進程，僅允許經過管程內部定義的入口才能訪問共享數據。它是一種抽象的數據類型。3優勢管程可以簡化同步代碼，降低并發程序的復雜性，防止競爭條件，提高代碼可讀性和可維護性。死鎖的概念和產生條件死鎖定義多個進程互相等待對方持有的資源，造成互相阻塞，無法繼續執行。產生條件互斥條件、占有且等待條件、不可剝奪條件、循環等待條件。死鎖的影響系統資源浪費，系統吞吐量降低，系統性能下降。死鎖的預防與避免預防預防死鎖是指在系統設計和運行過程中采取措施，防止死鎖的發生。例如，采用資源有序分配策略，避免多個進程競爭同一資源，并使用信號量機制實現進程同步，確保進程之間的正常協作。避免避免死鎖是指在系統運行過程中動態地檢測和處理潛在的死鎖，采取措施避免死鎖的發生。例如，使用銀行家算法，在分配資源之前進行檢查，確保資源分配不會導致死鎖發生。死鎖的檢測與解決檢測死鎖使用資源分配圖或算法來檢測系統中是否存在死鎖。解除死鎖重新啟動系統或撤銷部分進程以打破死鎖狀態。預防死鎖采用措施防止死鎖的發生，例如使用資源分配算法。避免死鎖通過動態資源分配策略來避免死鎖的發生。實時執行系統的特點實時執行系統強調時間敏感性，需要在嚴格的時間限制內完成任務。實時性要求系統對事件做出快速反應，并及時處理數據。實時執行系統通常需要處理高數據流速率和低延遲需求。此外，實時執行系統還需要保證可靠性，防止錯誤發生，并具有容錯能力。實時執行系統的設計原則及時性實時系統需要滿足嚴格的時間要求，確保在特定時間內完成任務，避免延誤導致錯誤或失效。可靠性實時系統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行，保證系統穩定性和安全性?？深A測性實時系統需要具備可預測性，保證系統在不同的負載和環境下也能保持穩定的性能，例如響應時間、吞吐量等。資源管理實時系統需要有效管理系統資源，例如內存、CPU、網絡等，保證關鍵任務獲得充足的資源，防止資源競爭或耗盡。實時系統的任務調度1周期性任務調度定期執行，例如每秒執行一次2事件驅動任務調度由外部事件觸發，例如傳感器觸發3混合任務調度結合周期性任務和事件驅動任務實時系統的任務調度是指根據實時性要求，將任務分配到不同的處理器上，并決定任務的執行順序和時間。實時系統的任務調度必須滿足嚴格的時間約束，以保證系統能夠及時響應外部事件。實時系統的資源管理內存管理實時系統需要確保關鍵任務能夠訪問到足夠的內存資源，防止內存泄漏或碎片化。處理器管理實時系統需要根據任務優先級分配處理器時間片，保證高優先級任務及時完成。設備管理實時系統需要有效管理各種硬件設備，如傳感器、執行器等，確保它們能夠按需使用。通信管理實時系統需要確保任務之間能夠可靠地進行通信，保證數據傳輸的及時性和安全性。實時系統的錯誤處理錯誤檢測實時系統通常使