“操作系統(tǒng)”教學(xué)的定量方法探討

陳燕暉　念其鋒　羅　宇

摘要:本文針對“操作系統(tǒng)”教學(xué)中對真實(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行定量處理方面的不足,在反思的基礎(chǔ)上,提出在課堂教學(xué)、課程實(shí)驗(yàn)等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)加強(qiáng)定量方法的應(yīng)用,并輔以具體的實(shí)例說明定量方法的優(yōu)勢之處,最后給出了實(shí)施定量教學(xué)的若干建議。

關(guān)鍵詞:操作系統(tǒng);定量方法;性能評估

中圖分類號:G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

1引言

定量方法在教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。確切的數(shù)據(jù)往往更具有說服力,能讓學(xué)生對抽象的理論有更好的認(rèn)識。在指導(dǎo)學(xué)生對某個(gè)問題進(jìn)行研究,采集、分析數(shù)據(jù)乃至得到結(jié)論方面,更彰顯了定量方法的重要性。

“操作系統(tǒng)”是計(jì)算機(jī)學(xué)科的一門核心課程,其教學(xué)內(nèi)容多處采用了定量方法,如對進(jìn)程調(diào)度算法和磁盤調(diào)度算法的分析就是典型的例子。但是,通過分析當(dāng)前一些操作系統(tǒng)教學(xué)的相關(guān)材料及文獻(xiàn)后,我們發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)教學(xué)在定量方法的使用方面依然有不足之處。

首先,在系統(tǒng)性能評估方面內(nèi)容偏少。性能是操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要考慮因素,計(jì)算機(jī)普通用戶可能關(guān)心響應(yīng)時(shí)間,而系統(tǒng)管理員可能關(guān)心吞吐量。如何對系統(tǒng)進(jìn)行具體的性能評價(jià)在國內(nèi)外操作系統(tǒng)教材中均著墨很少,甚至根本不涉及。在一些操作系統(tǒng)教學(xué)網(wǎng)站公開的課件和課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中,我們也很少看到這方面的內(nèi)容,盡管文獻(xiàn)[1]明確指出操作系統(tǒng)的核心學(xué)時(shí)中應(yīng)有一學(xué)時(shí)用于系統(tǒng)性能評價(jià)。

其次,操作系統(tǒng)教材往往不能利用當(dāng)前真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù),許多教材定性分析內(nèi)容多,但定量部分則有所不足。這當(dāng)然與印刷物自身的局限性有關(guān),但另一方面還可能源于教材作者自身的考慮,如果過分依賴于特定的平臺,在硬件和軟件飛速變化的時(shí)代,相關(guān)內(nèi)容很容易過時(shí)。

教師作為教學(xué)活動的主導(dǎo)者,應(yīng)該不為相關(guān)教材所局限,如果有意識地在多個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)用定量手段,則可以彌補(bǔ)上述不足,取得更好的教學(xué)效果。

2各教學(xué)環(huán)節(jié)中定量方法的增強(qiáng)實(shí)施

對于操作系統(tǒng)教材中已經(jīng)廣泛采用的量化手段,我們不再討論,本節(jié)著重討論可以進(jìn)一步強(qiáng)化實(shí)施量化方法的教學(xué)環(huán)節(jié)和具體做法。由于各教學(xué)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)不同,量化方法實(shí)施的著眼點(diǎn)和程度也就有所不同。

2.1課堂教學(xué)中征引相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)彌補(bǔ)教材不足,反映操作系統(tǒng)當(dāng)前動態(tài)

本環(huán)節(jié)的可增強(qiáng)余地不大,但是教師可以關(guān)注業(yè)界動態(tài),了解本領(lǐng)域的最新進(jìn)展,收集豐富的數(shù)據(jù)材料并用之于教學(xué)。例如講到分時(shí)系統(tǒng)與時(shí)間片,可以列舉代表性的分時(shí)系統(tǒng)CTSS、Unix V6、4.4BSD及最新的Linux 2.6在運(yùn)行平臺上的時(shí)鐘中斷頻率、時(shí)間片和平臺計(jì)算能力等數(shù)據(jù),通過這些具體的數(shù)據(jù),學(xué)生不僅對真實(shí)系統(tǒng)有直觀的認(rèn)識,還可以看到歷史軌跡下硬件技術(shù)的發(fā)展對軟件參數(shù)值產(chǎn)生的影響。此外,這些數(shù)據(jù)還可以用于估算進(jìn)程切換的純開銷。

再例如設(shè)備管理和文件管理很多知識點(diǎn)基于的前提就是磁盤訪問速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于內(nèi)存訪問速度。但目前固態(tài)硬盤的市場日趨增大,其特點(diǎn)完全不同于傳統(tǒng)機(jī)械硬盤,教師可以在適當(dāng)時(shí)候列出兩類硬盤的性能參數(shù)對比,然后針對固態(tài)硬盤技術(shù)提出如下問題:

(1) 調(diào)度算法有必要嗎?

(2) 緩沖技術(shù)還要必要嗎?

(3) 磁盤碎片整理有必要嗎?

教師順便介紹當(dāng)今操作系統(tǒng)如Linux、Windows對固態(tài)硬盤技術(shù)的支持時(shí)給出以上問題的結(jié)論,學(xué)生不僅可以了解當(dāng)今操作系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)而且可以深深體會硬件技術(shù)對操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)所產(chǎn)生的影響。

2.2圍繞真實(shí)系統(tǒng),開發(fā)定量結(jié)果的習(xí)題

在學(xué)習(xí)過程中,要求定量結(jié)果的習(xí)題一般比概念性、定性化的題目更能吸引學(xué)生的注意力,激發(fā)學(xué)生的興趣。

縱覽操作系統(tǒng)教材的配套習(xí)題和專門的操作系統(tǒng)習(xí)題書,我們依然可以發(fā)現(xiàn)不足之處,就是針對當(dāng)前真實(shí)系統(tǒng)的習(xí)題偏少,即便是一些要求定量結(jié)果的習(xí)題,因取材自抽象后的簡化模型,給出的相關(guān)計(jì)算參數(shù)也不能反映真實(shí)場景。這種處理方式的弊端就是理論和實(shí)際有一定的脫節(jié),學(xué)生對真實(shí)的系統(tǒng)可能會有隔膜。教師可以改善這種狀況,下面是我們在教學(xué)過程中用過的兩個(gè)題目:

(1)C程序“hello,world”從開始編輯到最終運(yùn)行在系統(tǒng)中會產(chǎn)生多少進(jìn)程/線程?

(2)C程序“hello,world”在當(dāng)前系統(tǒng)中運(yùn)行一次,其產(chǎn)生的最少、常規(guī)、最多(理論上)缺頁次數(shù)是多少?

這兩個(gè)題目將迫使學(xué)生針對具體的操作系統(tǒng)進(jìn)行分析解答,由此獲得的對Linux/Windows進(jìn)程/線程模型和虛擬存儲子系統(tǒng)的認(rèn)識絕對不是普通習(xí)題可以達(dá)到的。

再例如頁表的格式及地址轉(zhuǎn)換,相關(guān)的習(xí)題都是基于一級頁表,而真實(shí)系統(tǒng)中常見的多級頁表卻不見蹤影,原因很簡單,即使小進(jìn)程的頁表也需要若干KB的數(shù)據(jù)量,對于紙質(zhì)書籍這往往是不可以接受的。在Web技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天,我們完全可以抓取一個(gè)真實(shí)進(jìn)程某個(gè)時(shí)刻的頁表快照,然后設(shè)計(jì)相應(yīng)的題目,通過課程網(wǎng)站以電子作業(yè)的形式提供給學(xué)生。

2.3在課程實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)中引入性能測試和評估

相比起課堂教學(xué)內(nèi)容,操作系統(tǒng)實(shí)踐部分的彈性更大,教師的自由度更多,教師可根據(jù)具體情況引入性能測試相關(guān)內(nèi)容。性能測試與評估必須針對具體的平臺,我們在課程設(shè)計(jì)中選用的是Linux操作系統(tǒng),其源代碼開放,有大量的軟件可供使用,可以進(jìn)行各種層次的性能測試與評估。

具體的引入方式有兩種。一種方式是將性能測試分析作為單獨(dú)的實(shí)驗(yàn),可利用現(xiàn)成的基準(zhǔn)測試程序和性能分析工具。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)的先修課程,所以用于測試網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器性能的基準(zhǔn)測試程序不太適合作為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,比較適合的是開源微觀基準(zhǔn)測試套件Lmbench和文件系統(tǒng)基準(zhǔn)測試程序bonnie、iozone、dbench等。Lmbench用于測量處理器和內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)、磁盤之間的系統(tǒng)延遲和數(shù)據(jù)移動帶寬,其測試結(jié)果包含了系統(tǒng)調(diào)用、上下文切換、進(jìn)程創(chuàng)建、文件系統(tǒng)的創(chuàng)建和刪除等性能指標(biāo),可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的瓶頸,比較貼合本科教學(xué)內(nèi)容。Linux平臺下的性能分析工具也非常多,比如proc文件系統(tǒng)、top、vmstat、iostat和sar等,如果想分析測試Linux內(nèi)核本身的性能,則可以使用Linux Trace Toolkit或Oprofile?？偠灾?Linux這方面的工具非常豐富,可以滿足不同層次的需求。

另一種方式是將性能測試評估作為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的一個(gè)步驟。我們所見的課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目一般都需要分析、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測試功能正確性及撰寫報(bào)告這幾個(gè)步驟,但是將性能測評納入考慮范圍的很少。下面是我們用過的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

逆序一個(gè)大小為64MB的文本文件,請使用下面三種方法:

(1) 標(biāo)準(zhǔn)C的I/O函數(shù);

(2)Unix的I/O函數(shù);

(3)open和mmap。

要求盡量考慮效率,比較三種方法的性能。前兩種方法,要求測試I/O每次讀寫單位分別為1B和4KB的情況。

學(xué)生從本實(shí)驗(yàn)獲得的知識與技能有:

(1) 理解緩沖對性能的影響。

(2) 了解系統(tǒng)調(diào)用開銷和使用strace追蹤系統(tǒng)調(diào)用情況。

(3) 使用time測試程序運(yùn)行時(shí)間,了解程序運(yùn)行的實(shí)際時(shí)間、用戶CPU時(shí)間和系統(tǒng)CPU時(shí)間。

(4) 了解操作系統(tǒng)本身實(shí)現(xiàn)對程序性能的影響。

影響程序性能的因素非常多,學(xué)生一般都知道語言、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等因素。但采用不同系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)相同功能,性能差距卻很大讓學(xué)生對mmap充滿了好奇。另外值得一提的是,我們發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生采用了較差的實(shí)現(xiàn)方案,導(dǎo)致每次讀寫單位為一字節(jié)時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)I/O函數(shù)的程序竟然比利用Unix I/O函數(shù)的程序慢,經(jīng)過指點(diǎn)后學(xué)生使用strace發(fā)現(xiàn)了癥結(jié)所在,重新調(diào)整實(shí)現(xiàn)方案取得了預(yù)想的結(jié)果,這種性能調(diào)節(jié)的過程對學(xué)生起到的鍛煉效果是令人滿意的。

2.4在課外教學(xué)指導(dǎo)中深化定量教學(xué)

課外學(xué)習(xí)指導(dǎo)是課堂教學(xué)的延續(xù),教師可以適當(dāng)指導(dǎo)學(xué)生自發(fā)組織的操作系統(tǒng)興趣小組,但應(yīng)注意充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動性。在加強(qiáng)學(xué)生操作系統(tǒng)量化處理能力方面,一種方式是跟蹤當(dāng)前Linux內(nèi)核的進(jìn)展,學(xué)會定量評估某個(gè)內(nèi)核組件或功能模塊的性能,甚至在此基礎(chǔ)上嘗試改進(jìn)。另一種方式是指定閱讀若干操作系統(tǒng)方向的論文,這些論文包含研究技巧和相應(yīng)的性能測試分析,如有可能,讓學(xué)生重復(fù)論文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,一個(gè)很好的示例見文獻(xiàn)[3],這種方式能培養(yǎng)學(xué)生基本的科研素養(yǎng)。

3操作系統(tǒng)定量教學(xué)實(shí)施的建議

在定量教學(xué)實(shí)施過程中,建議注意如下幾點(diǎn):

(1) 要有系統(tǒng)的觀點(diǎn)。所謂系統(tǒng)的觀點(diǎn)體現(xiàn)多個(gè)方面,一是定量方法本身是為教學(xué)服務(wù)的,二是操作系統(tǒng)本身是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)組件,三是操作系統(tǒng)的各子系統(tǒng)如何配合運(yùn)作整個(gè)系統(tǒng)的,四是子系統(tǒng)的各功能模塊如何配合運(yùn)轉(zhuǎn)本子系統(tǒng)的。以這種觀點(diǎn)來組織教學(xué),必須依托于真實(shí)系統(tǒng),把各個(gè)知識點(diǎn)貫穿起來,前面各節(jié)提到的實(shí)例都反映了我們這方面自覺的嘗試。

(2) 注意各教學(xué)環(huán)節(jié)互相配合銜接,定性與定量結(jié)合。以線程的講授為例,引入線程的一個(gè)主要目的是利用機(jī)器并行處理能力,若干年前可能因?yàn)橛布l件不足,學(xué)生無法親身體會,但是在多核和超線程技術(shù)大行其道的今天,完全可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的項(xiàng)目讓學(xué)生在真實(shí)的機(jī)器上進(jìn)行性能測試,體驗(yàn)并行帶來的好處。

(3) 注意實(shí)例積累與學(xué)生反饋。在實(shí)施量化教學(xué)時(shí),符合理念的現(xiàn)成習(xí)題和項(xiàng)目確實(shí)不多。一個(gè)途徑是改進(jìn)一些已有的習(xí)題和項(xiàng)目使之滿足定量教學(xué)要求,另一個(gè)途徑是自行設(shè)計(jì)全新的習(xí)題及項(xiàng)目。在新習(xí)題和項(xiàng)目開始使用的前幾年,要注意和學(xué)生溝通,收集學(xué)生的反饋意見。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),新題目或新項(xiàng)目必須經(jīng)過學(xué)生的打磨后才會變得更加完善。

4結(jié)束語

當(dāng)今操作系統(tǒng)教學(xué)在定量方法的運(yùn)用方面或有不足之處,特別是在目前課堂教學(xué)內(nèi)容相對于統(tǒng)一的情況下,實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的具體內(nèi)容更顯多樣性,其具體的實(shí)施和考核由各個(gè)高校的教師自行掌握,使得系統(tǒng)性能測試與評估一直被有意無意地忽視。我們根據(jù)教學(xué)體會系統(tǒng)地討論了在各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中如何有效實(shí)施量化教學(xué)并佐以具體實(shí)例說明,希望引起同行的關(guān)注并予以批評指正。

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