العمليات التي تسبق بدء تنفيذ برنامج في نظام التشغيل

تُعتبر أنظمة التشغيل من الركائز الأساسية التي تقوم عليها الحواسيب الحديثة، فهي الوسيط بين المستخدم والأجهزة المادية، والمسؤولة عن إدارة الموارد وتشغيل البرامج بطريقة فعّالة. وعند الحديث عن تنفيذ برنامج ما على جهاز الحاسوب، لا يبدأ التنفيذ بصورة فورية بمجرد النقر على أيقونة البرنامج أو إصدار أمر تشغيله، بل تمر هذه العملية بسلسلة من الخطوات والعمليات التي تسبق بدء التنفيذ الفعلي. هذه العمليات تعد من الجوانب الحيوية في فهم آلية عمل نظام التشغيل وكيفية تحضير البيئة المناسبة للبرامج.

يهدف هذا المقال إلى تناول هذه العمليات التفصيلية التي تسبق بدء تنفيذ البرنامج في نظام التشغيل، مع التركيز على الخطوات التي يتم من خلالها تحميل البرنامج وتحضير الموارد اللازمة له، بالإضافة إلى شرح كيفية تعامل نظام التشغيل مع ملفات البرنامج، والتهيئة الأولية لبيئة التنفيذ. كما سيتم التطرق إلى مفهوم العملية (Process) وكيفية إنشائها، إلى جانب التعامل مع الذاكرة وإدارة الجدولة.

1. مفهوم البرنامج والعملية في نظام التشغيل

قبل الخوض في العمليات التي تسبق التنفيذ، من المهم التمييز بين “البرنامج” و”العملية” في نظام التشغيل:

• البرنامج: هو مجموعة من التعليمات المخزنة في ملف على القرص الصلب أو وسائط التخزين الأخرى، ويكون هذا الملف عادة بتنسيق قابل للتنفيذ (Executable file). البرنامج في حد ذاته عبارة عن كود ثابت لا يقوم بأي عمل إلا إذا تم تشغيله.

• العملية (Process): هي برنامج قيد التنفيذ، وتمثل الوحدة الأساسية التي يديرها نظام التشغيل. تحتوي العملية على حالة البرنامج أثناء التشغيل، مثل محتويات الذاكرة، وسجل المعالج، ومعلومات أخرى ضرورية.

عندما يبدأ المستخدم أو النظام في تشغيل برنامج معين، يتحول هذا البرنامج إلى عملية. ولكن هذا التحول لا يتم بشكل عشوائي، بل من خلال عدة خطوات منظمة.

2. خطوات التحضير قبل تنفيذ البرنامج

2.1 طلب تشغيل البرنامج

تبدأ العملية عند طلب تشغيل برنامج ما، سواء عبر واجهة المستخدم (مثل الضغط على الأيقونة)، أو عن طريق أمر في سطر الأوامر، أو بواسطة برنامج آخر.

2.2 التحقق من صلاحية الملف التنفيذي

يقوم نظام التشغيل أولاً بالتحقق من وجود ملف البرنامج التنفيذي وصلاحيته، وهذا يشمل التأكد من:

• وجود الملف في المسار المحدد.

• أن الملف قابل للتنفيذ (على سبيل المثال، بصيغة EXE في ويندوز، أو ELF في لينكس).

• صلاحيات الوصول للملف (إذا كان لدى المستخدم الصلاحيات لتشغيله).

في حالة عدم استيفاء هذه الشروط، يتوقف تنفيذ البرنامج ويتم إرسال رسالة خطأ للمستخدم.

2.3 تحميل الملف التنفيذي إلى الذاكرة

بعد التحقق، يبدأ نظام التشغيل بتحميل محتويات الملف التنفيذي إلى الذاكرة الرئيسية. وهذه العملية تتضمن:

• قراءة رأس الملف (Header): يحتوي على معلومات هامة عن كيفية تحميل البرنامج، مثل حجم البرنامج، نقاط الدخول، تقسيم القطاعات.

• تهيئة أقسام الذاكرة: يتم تخصيص مساحة في الذاكرة لكل جزء من أجزاء البرنامج (مثل كود البرنامج، البيانات الثابتة، بيانات المتغيرات، والذاكرة المؤقتة).

2.4 ربط البرنامج (Linking)

إذا كان البرنامج يعتمد على مكتبات خارجية (مثل مكتبات ديناميكية)، يقوم نظام التشغيل خلال هذه المرحلة بعملية الربط الديناميكي، حيث يتم تحميل هذه المكتبات وربطها بالبرنامج لتحضير البيئة الكاملة للتنفيذ.

2.5 تحميل مكتبات النظام والموارد الضرورية

في كثير من الحالات، يحتاج البرنامج إلى مكتبات نظام أو موارد إضافية (مثل ملفات التهيئة، الخطوط، قواعد البيانات). يقوم نظام التشغيل بتحميل هذه الموارد إذا لم تكن موجودة مسبقاً.

3. إنشاء العملية (Process Creation)

بعد تحميل البرنامج والربط مع الموارد اللازمة، يبدأ نظام التشغيل في إنشاء العملية التي ستقوم بتنفيذ البرنامج.

3.1 تهيئة هيكل البيانات الخاص بالعملية

يقوم نظام التشغيل بإنشاء هيكل بيانات يسمى Control Block أو Process Control Block (PCB) يحتوي على كافة المعلومات اللازمة لإدارة العملية، مثل:

• معرف العملية (Process ID).

• حالة العملية (جاهزة، تشغيل، متوقفة).

• مؤشر العنوان في الذاكرة.

• سجلات المعالج الحالية.

• معلومات الجدولة.

• مؤشرات إلى الموارد المستخدمة.

3.2 تخصيص مساحة الذاكرة

تُخصص مساحة في الذاكرة للعملية، تشمل مناطق للكود والبيانات ومتغيرات البيئة. يتم أيضاً تخصيص مساحة للـ Stack (الكومة) و Heap (الكومة الديناميكية) المستخدمة أثناء تنفيذ البرنامج.

3.3 تهيئة سجلات المعالج

تبدأ العملية بتعيين القيم الأولية لسجلات المعالج، بما في ذلك مؤشر البرنامج (Program Counter) الذي يشير إلى نقطة بداية التنفيذ في الكود.

4. تحميل المتغيرات البيئية Parameters and Environment Variables

عند بدء التنفيذ، قد يحتاج البرنامج إلى معلومات بيئية أو بارامترات (Parameters) تم تمريرها من المستخدم أو النظام، مثل:

• متغيرات البيئة (Environment Variables).

• المعاملات (Arguments) التي تم تمريرها أثناء تشغيل البرنامج.

يقوم نظام التشغيل بتهيئة هذه القيم وجعلها متاحة للبرنامج أثناء التنفيذ.

5. الجدولة Scheduling

بعد إتمام إنشاء العملية وتحضيرها، يتم إدخال العملية إلى قائمة العمليات الجاهزة (Ready Queue) في نظام التشغيل، ليتم جدولة تنفيذها حسب سياسة الجدولة المتبعة.

تعتمد سياسة الجدولة على نوع نظام التشغيل، مثل:

• جدولة الوقت الحقيقي (Real-Time Scheduling).

• جدولة الوقت التقسيمي (Time-Sharing Scheduling).

• جدولة الأولوية (Priority Scheduling).

6. التحكم في التحويل إلى وضع التنفيذ

بعد اختيار العملية من قبل المجدول (Scheduler)، يتم التحويل إلى وضع التنفيذ، حيث يبدأ المعالج بتنفيذ التعليمات من نقطة البداية التي حددها مؤشر البرنامج.

7. تهيئة الموارد الخاصة بالعملية

قبل بدء التنفيذ الكامل، يتم التحقق من الموارد الخاصة بالعملية، مثل:

• فتح ملفات الإدخال/الإخراج التي يحتاجها البرنامج.

• تجهيز أجهزة الإدخال/الإخراج إذا تطلب البرنامج ذلك.

• تهيئة منافذ الشبكة أو الاتصالات إن كانت موجودة.

8. ملخص الجدول الزمني للعمليات التحضيرية

9. أهمية هذه العمليات في نظام التشغيل

تساهم العمليات التحضيرية في ضمان أن يعمل البرنامج بكفاءة ودون أخطاء. فهي:

• تحمي النظام من محاولة تشغيل ملفات غير صالحة أو ضارة.

• تضمن تخصيص الموارد بشكل منظم وعادل بين العمليات المختلفة.

• توفر بيئة مستقرة للبرنامج، مما يساعد في تحسين الأداء وتجنب الأعطال.

• تسهل على نظام التشغيل التحكم في العمليات، خاصة في الأنظمة متعددة المهام.

10. أنواع أنظمة التشغيل وتأثيرها على عمليات التحضير

تختلف العمليات التي تسبق تنفيذ البرنامج من نظام تشغيل لآخر، حيث أن لكل نظام آليات خاصة:

• نظام ويندوز: يستخدم ملفات تنفيذية بصيغة EXE أو DLL، ويعتمد على ملفات التسجيل (Registry) لتوفير متغيرات البيئة.

• نظام لينوكس/يونكس: يستخدم ملفات تنفيذية بصيغة ELF، ويدعم التحميل الديناميكي للمكتبات عبر نظام الـ Shared Objects.

• نظام ماك (macOS): يعتمد على ملفات تنفيذية بصيغة Mach-O ويحتوي على إدارة متقدمة للموارد والتحكم بالعمليات.

11. التحديات والمشكلات المحتملة في مرحلة التحضير

قد تواجه أنظمة التشغيل بعض التحديات أثناء هذه المرحلة، مثل:

• فشل تحميل الملف التنفيذي: بسبب تلف الملف أو نقص الموارد.

• مشكلات الربط الديناميكي: عند عدم وجود مكتبات مطلوبة أو تعارض في الإصدارات.

• نفاد الذاكرة: مما يمنع تخصيص مساحة كافية للعملية.

• مشكلات صلاحيات الوصول: مما يمنع البرنامج من تشغيل أو الوصول إلى الموارد.

• تعارض الجدولة: قد تؤدي إلى تأخير تنفيذ البرنامج أو تجمد النظام.

12. الخلاصة

تمثل العمليات التي تسبق تنفيذ برنامج في نظام التشغيل مجموعة معقدة ومتكاملة من الإجراءات التي تهدف إلى توفير بيئة تشغيل مستقرة وفعالة للبرامج. بدءاً من التحقق من صلاحية الملف التنفيذي، مروراً بتحميله إلى الذاكرة، وإنشاء هيكل بيانات للعملية، وانتهاءً بتهيئة الموارد الخاصة وجدولة التنفيذ، تشكل هذه العمليات أساساً لا يمكن الاستغناء عنه لضمان عمل النظام بكفاءة وأمان. كما تعكس هذه العمليات مستوى تطور أنظمة التشغيل وقدرتها على إدارة الموارد وتنفيذ البرامج في بيئات متعددة ومتغيرة.

المراجع

1. Silberschatz, A., Galvin, P. B., & Gagne, G. (2018). Operating System Concepts. Wiley.

2. Tanenbaum, A. S., & Bos, H. (2015). Modern Operating Systems. Pearson.

هذا المقال يوفر شرحاً مفصلاً وشاملاً لآلية التحضير لتنفيذ البرامج في أنظمة التشغيل المختلفة، ويهدف إلى إغناء المحتوى العلمي العربي بمعلومات تقنية دقيقة وعميقة.