计算机程序如何运行？

计算机程序如何运行？下图显示了这些步骤。

01 用户交互和命令启动

通过双击程序，用户指示操作系统通过图形用户界面启动应用程序。

操作系统收到请求后，会调用内置 shell 来响应该操作。然后，操作系统解析该操作，加载并执行程序。

02 程序预加载

执行请求启动后，操作系统首先会检索程序的可执行文件。这通常是一个可执行程序（在 Windows 上）或二进制文件（在 Linux 或 macOS 上）。

操作系统通过文件系统找到该文件，并将其加载到内存中准备执行。

03 依赖解析和加载

大多数现代应用程序都依赖于一些共享库，如动态链接库（DLL）。操作系统会解析应用程序的依赖关系，并将必要的库加载到内存中。如果存在未解决的依赖关系，程序可能无法启动，因为它需要这些外部代码才能正常运行。

04 分配内存空间

操作系统负责分配内存空间。通常这分为两部分：程序用于动态分配内存的堆区（heap）和处理函数调用、局部变量存储等的栈区（stack）。

05 初始化运行时环境

分配内存后，操作系统和执行环境（如 Java 的 JVM 或 .NET Framework）将初始化运行程序所需的各种资源。这包括设置程序计数器、创建初始执行线程以及准备 I/O 系统。

06 系统调用和资源管理

程序的入口点（通常是一个名为 “main ”的函数）被调用，以开始执行程序员编写的代码。操作系统会维护一个程序计数器，以跟踪指令的执行进度，并让处理器逐步执行这些指令。

当程序在运行过程中需要执行文件操作、网络通信或其他 I/O 活动时，就会发出系统调用。操作系统接管控制权，提供必要的资源，或完成请求的任务，然后将控制权交还给程序。

07 冯-诺依曼体系结构

在程序执行过程中，当涉及文件读写、网络通信或其他 I/O 操作时，程序必须通过系统调用向操作系统请求服务。这些系统调用是冯-诺依曼计算机体系结构中中央处理器（CPU）与内存单元协同工作的典型例子。

在冯-诺依曼体系结构中，中央处理器执行存储在内存中的指令。当遇到需要硬件交互的 I/O 操作时，CPU 会暂时放弃控制权，进入内核模式执行必要的系统调用。

操作系统将处理这些调用，管理与硬件直接交互所需的复杂细节，并在完成后将控制权和执行结果返回中央处理器，中央处理器将继续执行程序代码。所有这些协调工作都是透明的，既能确保程序高效运行，又能在冯-诺依曼模型下进行适当的资源管理。

08 程序终止

最终，当程序完成任务或用户主动终止应用程序时，程序将开始清理阶段。这包括关闭打开的文件描述符、释放网络资源以及将内存返回系统。这标志着程序生命周期的结束，操作系统将保持已完成状态，等待下一个用户命令。