操作系統(tǒng)課程中的比喻教學(xué)

文章編號：1672-5913(2008)06-0092-02

摘要：本文以進(jìn)程死鎖教學(xué)為例討論了比喻法在操作系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用過程，指出了運(yùn)用此教學(xué)方法的注意事項及意義。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；比喻；死鎖

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

操作系統(tǒng)課程在計算機(jī)專業(yè)教學(xué)中占據(jù)重要地位，具有理論性強(qiáng)、概念抽象、涉及面廣、實(shí)踐性強(qiáng)但實(shí)驗(yàn)很難組織等突出特點(diǎn)。因此，該課程也是計算機(jī)專業(yè)教師“最難教”，學(xué)生“最難學(xué)”的課程之一。為了搞好操作系統(tǒng)課程的教學(xué)，筆者不斷進(jìn)行教學(xué)方法的探索和改進(jìn)，其中之一就是運(yùn)用比喻。比喻增強(qiáng)了教學(xué)語言的影響力，使得操作系統(tǒng)理論課教學(xué)起到事半功倍的效果。

1比喻在操作系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用

在操作系統(tǒng)教學(xué)的過程中，教師只要比喻設(shè)得巧、設(shè)得好，就能使本來晦澀難懂、抽象枯燥的知識點(diǎn)變得淺顯明了，能收到良好的教學(xué)效果。例如我們經(jīng)常把操作系統(tǒng)比喻為計算機(jī)系統(tǒng)的“管家”，要管理的“家務(wù)”就是管理和控制計算機(jī)的軟硬件資源。在《操作系統(tǒng)：設(shè)計與實(shí)現(xiàn)(第二版)》中，Tanenbaum以“計算機(jī)科學(xué)家烘制生日蛋糕”的過程為例，清晰明了地說明了進(jìn)程模型、程序等相關(guān)概念。下面筆者以進(jìn)程死鎖教學(xué)為例來討論比喻法在操作系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用過程，以達(dá)到拋磚引玉的目的。

死鎖是操作系統(tǒng)課程當(dāng)中一個非常重要的概念，主要包括四個知識點(diǎn)：死鎖的定義、死鎖的起因、死鎖的必要條件、死鎖的解決方法。筆者設(shè)計了一個兩人過獨(dú)木橋的例子并貫穿了死鎖教學(xué)的始終。

(1) 死鎖的定義

在一條河上有一座獨(dú)木橋，一次只能容納一個人通過。張三和李四分別從兩端過橋，那么兩個人可能出現(xiàn)碰面的情況(如圖1)。此時對于張三來說，他已走過橋面左面的一段路，要想過橋還須等待李四讓出右邊的橋面，此時張三不能前進(jìn)；李四也是一樣，要想過橋，必須等待張三讓出左邊的橋面。如果兩個人誰都不妥協(xié)，就會陷入一種互相等待的僵局，兩個人誰都不能過橋，這種現(xiàn)象就是死鎖。如果把人比做進(jìn)程，橋面作為資源。那么上述問題就描述為：進(jìn)程張三占有左橋面資源R1，等待右橋面資源R2；進(jìn)程李四占有資源R2，等待資源R1。結(jié)果，兩個進(jìn)程互相等待對方釋放資源，陷入僵局，不能向前推進(jìn)，這就是進(jìn)程死鎖。由此我們可以非常容易引出死鎖的定義：是指多個進(jìn)程循環(huán)等待它方占有的資源而無限期地僵持下去的局面。若無外力作用，這些進(jìn)程都將永遠(yuǎn)不能向前推進(jìn)。

圖1 獨(dú)木橋死鎖

(2) 死鎖的起因

獨(dú)木橋例子中，如果有兩座獨(dú)木橋，一座橋?qū)ｉT走從左面到右面的人，另一座橋?qū)ｉT走從右面到左面的人，那張三和李四肯定不會死鎖。因此，推斷出系統(tǒng)資源不足是引起死鎖的一種原因。但資源少也未必一定產(chǎn)生死鎖，就如同兩個人過一座獨(dú)木橋。如果兩個人都要先過，在獨(dú)木橋上僵持不肯后退，必然會應(yīng)競爭資源產(chǎn)生死鎖。但是，如果兩個人上橋前先看一看橋上是否有人，當(dāng)無人時自己才上橋，那么問題就解決了。所以，如果程序設(shè)計得不合理，造成進(jìn)程推進(jìn)的順序不當(dāng)，是引發(fā)死鎖的另一種原因。

(3) 死鎖的必要條件

互斥條件：在發(fā)生死鎖的系統(tǒng)中肯定存在需互斥使用的獨(dú)占性資源。在獨(dú)木橋例子中，獨(dú)木橋一次只能容納一個人通過，就是一種獨(dú)占資源。

不可搶占條件：資源申請者不能強(qiáng)行的從資源占有者手中奪取資源，資源只能由占有者自愿釋放。如過獨(dú)木橋的人不能強(qiáng)迫對方后退，也不能非法地將對方推下橋，必須是橋上的人自己過橋后空出橋面(即主動釋放占有資源)，對方的人才能過橋。

占有且申請條件：進(jìn)程至少已經(jīng)占有一個資源又申請新的資源，由于該資源已被另外進(jìn)程占有，此時該進(jìn)程阻塞。但是，它在等待新資源之時，仍繼續(xù)占用已占有的資源。還以過獨(dú)木橋?yàn)槔?，張三走過一段橋面(即占有了一些資源)，還需要走余下的橋面(申請新的資源)，但那部分橋面被李四占有(李四已經(jīng)走過一段橋面)。張三過不去，不能前進(jìn)，又不后退；李四也處于同樣的狀況。

循環(huán)等待條件：在發(fā)生死鎖的系統(tǒng)中存在若干進(jìn)程組成的循環(huán)等待鏈，鏈中的每個進(jìn)程占有某資源，同時該資源又被下一個進(jìn)程請求。就像前面的獨(dú)木橋問題，張三等待李四占有的橋面，而李四又等待張三占有的橋面，從而彼此循環(huán)等待。

(4) 死鎖的解決方法

預(yù)防死鎖：通過破壞死鎖的四個必要條件中的一個或者多個，來防止死鎖的產(chǎn)生。對于獨(dú)木橋問題，可以通過在橋上安裝一個指示燈來破壞“占有并申請”這個必要條件，紅燈亮是讓左面的人過橋，綠燈亮讓右面的人過橋。這樣一個人在申請資源時一次性申請完他所需要的兩個橋面，即左橋面和右橋面，就不會存在著占有一個橋面還要申請另一個橋面的情況。

避免死鎖：系統(tǒng)在每次分配資源時進(jìn)行預(yù)測，以避免死鎖發(fā)生。在獨(dú)木橋的例子中就可以引入一個管理員，它負(fù)責(zé)對橋面資源進(jìn)行分配，每個人過橋前，必須向管理員提交申請，管理員小心預(yù)測一下，如果批準(zhǔn)這個申請，會不會引起死鎖。如果會，就讓此人等待。如果不會，就允許此人過橋。張三和李四都向管理員申請橋面，管理員通過預(yù)測發(fā)現(xiàn)如果兩人都批準(zhǔn)，會引起死鎖，因此他只會批準(zhǔn)其中一個人的申請，讓另一個人等待，這樣張三和李四就不可能死鎖了。

死鎖的檢測與解除：系統(tǒng)在沒有進(jìn)行“預(yù)防”和“避免”的情況下，設(shè)置專門機(jī)構(gòu)檢測死鎖，定時檢測，若出現(xiàn)死鎖則解除掉。對于獨(dú)木橋例子，我們就在沒有指示燈和管理員的情況下，也就是沒有進(jìn)行預(yù)防和避免的情況下，引入一個檢測員，檢測員負(fù)責(zé)每隔一個小時到橋上看看有沒有死鎖發(fā)生，如果有，就解除掉。比如他發(fā)現(xiàn)張三和李四死鎖了，如果想讓張三過橋，他可以強(qiáng)迫李四后退，也可以把李四推下河，從而保證張三前進(jìn)。

2比喻教學(xué)中的注意事項

上述的教學(xué)案例在具體教學(xué)實(shí)踐中收效甚佳，比喻法教學(xué)可以使復(fù)雜、抽象的問題變得簡單而具體，學(xué)生接受時感受性較強(qiáng)、易于掌握。實(shí)踐證明，只要教師課前認(rèn)真鉆研教材，合理安排教學(xué)內(nèi)容，精心安排教學(xué)步驟，巧妙設(shè)計與教學(xué)內(nèi)容相匹配的教學(xué)案例，比喻恰當(dāng)，學(xué)生在課堂上就能較容易理解和掌握該部分內(nèi)容。教師在教學(xué)過程中運(yùn)用比喻法應(yīng)突出注意以下幾個方面問題：

首先，比喻要恰當(dāng)。比喻是用喻體說明本體，不可牛頭不對馬嘴，“喻體”與“本體”要在某一點(diǎn)上有共同性。

其次，比喻應(yīng)具有通俗性。比喻是用來溝通已知與未知的，只有使用的事物聽者熟悉才能達(dá)到目的。要用學(xué)生熟悉的事物去比，不能用陌生的事物去比，否則會弄巧成拙。

第三，比喻應(yīng)具有簡潔性，切忌繁瑣冗長。

最后，比喻應(yīng)具有趣味性，越琢磨越有味，越想越感真實(shí)。

參考文獻(xiàn)

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