科研和工程中的編程概述

1、科研和工程中的編程概述第1頁，共19頁。課程任務v掌握編程目的和意義v了解代碼編寫和優(yōu)化的技巧v掌握科研工程的問題建模方法和步驟v掌握面向空間的設(shè)計方法v掌握面向時間的設(shè)計方法v實踐各種設(shè)計方法第2頁，共19頁。編程目的和意義v目的：用計算機程序完成科研和工程中的實際問題。v意義：和計算機對話，以看到需要的計算結(jié)果。v主要平臺：通用編程：windows Linux UNIX各版本 macOS其他：各種嵌入式操作系統(tǒng)第3頁，共19頁。代碼的主要目標形式v桌面程序(科研和工程問題解決的主要方式)windowsLinux界面程序(UI)一般進程調(diào)用界面庫控制臺程序(console) 一般進程服務程序

2、(service)守護進程第4頁，共19頁。代碼的主要目標形式v腳本程序以一個特定的桌面程序為宿主平臺，一般解釋執(zhí)行，主要有：(1)web應用程序(服務器端腳本，客戶端在瀏覽器中運行的各種腳本程序)(2)辦公軟件(word, excel之VBA，SQLServer中存儲過程等)(3)科學計算程序(matlab, mathematic, mathCAD, AutoCAD, 3DMax, Photoshop等)(4)游戲動畫(3D游戲引擎下的如lua等腳本)第5頁，共19頁。代碼的主要目標形式v程序代碼最終生成模塊(Module)，在C#中稱為裝配件(Assembly)v進程(Process)是操

3、作系統(tǒng)多任務并發(fā)執(zhí)行的一個基本單位，在進程下還可以創(chuàng)建線程(Thread)，作為多任務并發(fā)執(zhí)行的補充。Windows以線程為基本調(diào)度單位，Linux以進程為基本調(diào)度單位。v操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個進程時，會裝入所需模塊，并執(zhí)行其中的代碼。v后續(xù)課程操作系統(tǒng)會詳述。第6頁，共19頁。代碼的主要目標形式v進程中模塊的分類WindowsLinux可執(zhí)行模塊exe (自身代碼引用的地址全部已確定)可執(zhí)行模塊(同左)動態(tài)鏈接模塊DLL(自身代碼引用地址為浮動地址，必要時需要重定位)共享庫模塊SO.X(同左)驅(qū)動程序模塊SYS或其他，運行在核心態(tài)/用戶態(tài)驅(qū)動程序模塊，運行在核心態(tài)/用戶態(tài)第7頁，共19頁。代碼的主

4、要目標形式v進程擁有自己的獨立編址的內(nèi)存空間(稱為虛擬內(nèi)存空間)，在32位操作系統(tǒng)下最大達4G，在64位操作系統(tǒng)下更大。進程的虛擬內(nèi)存空間按多個固定大小的內(nèi)存頁面來組織，分為可交換頁和非可交換頁兩種，模塊的代碼和數(shù)據(jù)就是映射到這些頁面上，由操作系統(tǒng)根據(jù)需要調(diào)入物理內(nèi)存來執(zhí)行。操作系統(tǒng)直接把進程空間的高地址部分映射到已經(jīng)裝載了驅(qū)動模塊的那些系統(tǒng)的內(nèi)存頁面上。第8頁，共19頁。代碼的主要目標形式v操作系統(tǒng)根據(jù)用戶的要求為一個可執(zhí)行模塊創(chuàng)建一個進程，同時根據(jù)可執(zhí)行模塊文件內(nèi)的信息裝載它所依賴的動態(tài)模塊(同樣動態(tài)模塊要是依賴其它動態(tài)模塊就遞歸地依次裝入)。當然也可以在程序內(nèi)用API函數(shù)動態(tài)地裝載模塊。

5、動態(tài)模塊內(nèi)的函數(shù)地址被重新定位，使得其他各種類型的模塊能調(diào)用它們。具體動態(tài)鏈接的過程可看參考書Linker and loader。第9頁，共19頁。代碼的主要目標形式v模塊的組成(1)機器代碼(2)已初始化全局數(shù)據(jù)(如全局變量)(3)未初始化全局數(shù)據(jù)(如方法/函數(shù)內(nèi)的靜態(tài)局部變量)(4)資源(windows下DLL內(nèi)，可看作特殊全局數(shù)據(jù))(5)模塊信息(各種信息及導入/導出函數(shù)表)第10頁，共19頁。代碼的主要目標形式v一個進程內(nèi)含有一個可執(zhí)行模塊(指含主入口的exe模塊，也會有其他exe模塊被動態(tài)裝載，此時都算作動態(tài)模塊)和多個動態(tài)模塊(不討論驅(qū)動模塊)。v動態(tài)鏈接庫可以做到機器代碼在不同的

6、進程間共享，而全局性數(shù)據(jù)則為每個進程復制一份獨立的拷貝 (有特殊設(shè)置可以讓全局性數(shù)據(jù)在不同的進程間共享，但一般不這樣作，而用共享內(nèi)存方法來取代)，所以動態(tài)庫是二進制級別的代碼復用方法。vC+程序(類、函數(shù)等)則是源代碼級別的代碼復用方法。顯然源代碼若修改了整個軟件要重新編譯*。第11頁，共19頁。代碼的主要目標形式v操作系統(tǒng)如果裝載了一個可執(zhí)行模塊的多個實例，即多個進程都裝載了同一個exe模塊和其依賴的動態(tài)模塊，那么該可執(zhí)行模塊的機器代碼頁同樣可以被多個進程共享，全局性數(shù)據(jù)自然是每個進程有一份自己的拷貝。v編寫大型工程/算法軟件需要進行模塊的分劃和設(shè)計。第12頁，共19頁。編寫代碼的一個考慮v

7、全局變量、類的靜態(tài)成員變量、方法/函數(shù)內(nèi)的靜態(tài)局部變量(線程局部存儲變量除外)都會在模塊內(nèi)有自己唯一的一個地址。如果源代碼有這樣的變量，并在生成exe模塊或者多個dll模塊時被使用，那么進程內(nèi)將有多份這樣的全局性變量。v如果算法設(shè)計中需要的一個全局性的變量是相對進程來說是唯一的，就不能把含有該全局性的變量的代碼做成源代碼級別的共享的庫，而是做在一個單獨的動態(tài)鏈接庫內(nèi)，再通過一系列函數(shù)來操作該變量。第13頁，共19頁。編寫代碼的一個考慮v由于一個進程可以創(chuàng)建多個線程，而這些線程是可以并行訪問同一進程空間內(nèi)的數(shù)據(jù)的，因此要注意對可能被多個線程訪問和修改的數(shù)據(jù)進行同步保護。v前述的全局性的變量要特別

8、注意進行多線程保護，特別是方法/函數(shù)內(nèi)的靜態(tài)局部變量，它是在第一次被調(diào)用時初始化的，如果有多個線程同時調(diào)用該方法/函數(shù)而不注意保護，可能造成該靜態(tài)局部變量被多次初始化。(該方法/函數(shù)是不可重入的)第14頁，共19頁。編寫代碼的一個考慮vCRT庫中隱含有全局變量。采用動態(tài)鏈接沒有問題，但采用靜態(tài)鏈接將使每個模塊都有一份這樣的全局變量。如new,malloc等動態(tài)內(nèi)存平分配函數(shù)會使用隱含的全局變量，在一個模塊中分配內(nèi)存，在另一個模塊中釋放這塊內(nèi)存，會因為使用不同的全局變量標示內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而導致內(nèi)存錯誤。所以編寫代碼時要在同一個模塊內(nèi)提供內(nèi)存的分配和釋放成對出現(xiàn)的函數(shù)。第15頁，共19頁。編寫代碼的

9、一個考慮v所以進行算法設(shè)計時盡量少用全局變量，包括線程局部存儲TLS全局變量(每個線程有一份變量的拷貝)，盡量使用類的成員變量來描述問題中的屬性、狀態(tài)等。即使必須要全局性的變量，也要控制在一定范圍內(nèi)，考慮進程范圍、線程范圍、模塊范圍的內(nèi)存占用情況和使用情況，要不要同步保護等。第16頁，共19頁。例子v一個大型多人RPG聯(lián)網(wǎng)對戰(zhàn)游戲中，記錄當前的玩家總數(shù)目、每個玩家的ID是一個全局性的變量。對于服務器端的程序，該變量對于進程是唯一的。因此適合編寫一個動態(tài)庫模塊，含此變量，并提供引出函數(shù)來操縱該變量。該程序的可執(zhí)行模塊和其他動態(tài)模塊可通過調(diào)用引出函數(shù)來訪問/修改此變量。v也可以設(shè)計為單件模式 (Singleton)，參看設(shè)計模式。第17頁，共19頁。上機v編寫一個解決方案，含有兩個工程，一個是動態(tài)庫模塊，含有全局性的玩家表，假設(shè)每個玩家的ID長度不超過8個字符，并提供添加、刪除、獲得總數(shù)