“操作系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討

陳　渝　向　勇

摘要:“操作系統(tǒng)”作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門(mén)重要基礎(chǔ)課程,強(qiáng)調(diào)理論知識(shí)和實(shí)踐的相互促進(jìn)。本文針對(duì)如何為不同能力不同基礎(chǔ)的學(xué)生提供更有效的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)模式,使操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠讓學(xué)生更全面和深入地理解操作系統(tǒng)的有關(guān)知識(shí),從而全面掌握操作系統(tǒng)的整體框架和流程,做了有益探討。

關(guān)鍵詞:操作系統(tǒng);實(shí)驗(yàn);教學(xué);

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1前言

“操作系統(tǒng)”作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門(mén)重要基礎(chǔ)課程,高校的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是對(duì)操作系統(tǒng)原理的具體實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)操作系統(tǒng)源代碼的分析和功能實(shí)現(xiàn)的實(shí)踐,可以使學(xué)生深入了解操作系統(tǒng)的功能,加深對(duì)操作系統(tǒng)所涉及的概念、原理等的理解,體驗(yàn)操作系統(tǒng)原理中很少涉及的復(fù)雜軟件架構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)等。因此,本文就“操作系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)課實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置及實(shí)驗(yàn)環(huán)境和教學(xué)方法加以分析探討。

2當(dāng)前國(guó)內(nèi)外操作課程實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

把“實(shí)際設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)”作為“操作系統(tǒng)”課程實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是一個(gè)看似情理,卻很難有效操作的事情。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外高校操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的幾種形式如下所示:

第一類是模擬驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),即選擇操作系統(tǒng)原理中的一些典型技術(shù),如內(nèi)存頁(yè)替換算法、進(jìn)程調(diào)度算法等,用基于應(yīng)用程序編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù),算法所涉及的資源是實(shí)際不存在的。這種類型實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是可以方便地對(duì)操作系統(tǒng)原理中所涉及的典型技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn),有助于對(duì)操作系統(tǒng)原理的理解。但學(xué)生較難體會(huì)實(shí)際操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的交互,以及操作系統(tǒng)的實(shí)際框架和部分運(yùn)行機(jī)制(如中斷)的特點(diǎn)。

第二類是使用驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),即選擇某實(shí)際操作系統(tǒng)(Windows、Linux、OpenSolaris等)作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境,通過(guò)具體使用、編寫(xiě)應(yīng)用程序和采用相關(guān)系統(tǒng)工具來(lái)觀察和驗(yàn)證實(shí)際操作系統(tǒng)中一些技術(shù)。這種類型實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)是讓學(xué)生置身于真實(shí)的操作系統(tǒng)中,可了解這些技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn) 情況。但學(xué)生較難涉足操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的鍛煉,對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)部細(xì)節(jié)了解不深。

第三類是剖析驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn),即結(jié)合操作系統(tǒng)原理來(lái)分析一個(gè)具體的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)(如Linux、WRK、MINIX等),比較原理和實(shí)現(xiàn)之間的差異。這種方法的目的是將操作系統(tǒng)的基本原理與操作系統(tǒng)的具體實(shí)例結(jié)合起來(lái),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)替換或改變操作系統(tǒng)中已有的功能。采用這種方法的教師對(duì)所講授的操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)要非常熟悉,對(duì)教師的要求較高。另一方面要求學(xué)生理解具體的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),對(duì)學(xué)生分析操作系統(tǒng)源碼的能力要求也較高。

第四類是擴(kuò)展設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),即提供一個(gè)從無(wú)到有的漸進(jìn)式操作系統(tǒng)原型,由學(xué)生對(duì)其功能進(jìn)行完善和擴(kuò)充。如首先設(shè)計(jì)引導(dǎo)程序,然后再設(shè)計(jì)內(nèi)存的管理、外設(shè)管理等一系列實(shí)驗(yàn),由學(xué)生在漸進(jìn)式操作系統(tǒng)原型的基礎(chǔ)上來(lái)完成實(shí)際的大部分功能、策略和算法等。如何讓學(xué)生理解一個(gè)完整的操作系統(tǒng)的架構(gòu)是此類型實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。

為了更好地開(kāi)展“操作系統(tǒng)”教學(xué),我們這幾年分析了解了國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)大學(xué)的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué),并重點(diǎn)參考了MIT“操作系統(tǒng)”課程6.828的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,對(duì)上述四種類型實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行了一定得嘗試和改進(jìn)。我們認(rèn)為對(duì)于研究型大學(xué),第四類實(shí)驗(yàn)是一種比較好的實(shí)驗(yàn)方式。這種實(shí)驗(yàn)方式需要一個(gè)簡(jiǎn)潔的功能齊全的微型教學(xué)用操作系統(tǒng),需要一個(gè)方便的運(yùn)行調(diào)試環(huán)境和詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū),這三者缺一不可。下面我們將就這些方面對(duì)目前正在開(kāi)展的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行闡述。

3操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

3.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

我們的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為擴(kuò)展設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn),即提供一個(gè)從無(wú)到有的漸進(jìn)式操作系統(tǒng)原型,由學(xué)生對(duì)其功能進(jìn)行完善和擴(kuò)充。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí),讓學(xué)生最終能夠自己設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)操作系統(tǒng)。為此我們的操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分為8個(gè)主要部分,每個(gè)部分相對(duì)獨(dú)立、也有一定的依賴性。清華大學(xué)操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下:

(1) 引導(dǎo)程序和OS啟動(dòng): 個(gè)人完成

(2) 中斷與設(shè)備管理: 個(gè)人完成

(3) 內(nèi)存管理: 個(gè)人完成

(4) 進(jìn)程管理: 個(gè)人完成

(5) 處理器調(diào)度: 個(gè)人完成

(6) 同步互斥與死鎖: 個(gè)人完成

(7) 文件系統(tǒng): 個(gè)人完成

(8)OS監(jiān)控器: 小組完成

前7實(shí)驗(yàn)部分就可以構(gòu)建成一個(gè)簡(jiǎn)單且功能全面的操作系統(tǒng),第8個(gè)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生能夠?qū)Σ僮飨到y(tǒng)有一個(gè)更好的全局了解。我們重視個(gè)性化培養(yǎng),倡導(dǎo)層次教學(xué)法,鼓勵(lì)學(xué)生積極討論學(xué)習(xí),從個(gè)性化發(fā)展的角度考察學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和理解問(wèn)題的能力。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和興趣的不同,對(duì)學(xué)生的要求也要分出層次。通過(guò)設(shè)置擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)來(lái)讓水平高的學(xué)生有更多的鍛煉的機(jī)會(huì)。通過(guò)細(xì)化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)、設(shè)置簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)并提前公布答案來(lái)讓水平低的學(xué)生能夠理解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和目標(biāo)。

3.2實(shí)驗(yàn)用操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)用操作系統(tǒng)要求功能全面(便于學(xué)生理解原理)、代碼量很小(便于學(xué)生分析源碼和架構(gòu))、能在實(shí)際的常用計(jì)算機(jī)上運(yùn)行;這幾方面者是相互矛盾的。我們通過(guò)調(diào)研,采用MIT的xv6教學(xué)用操作系統(tǒng)作為我們的基礎(chǔ)。xv6的特點(diǎn)是模擬了早期的Unix V6實(shí)現(xiàn),并改進(jìn)在Intel x86上運(yùn)行,且支持SMP架構(gòu)。我們?cè)趚v6的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和改進(jìn),采用漸進(jìn)的方式形成8個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單元,每個(gè)單元的代碼量都很小,第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中的源代碼一共只有不到300行代碼,第六個(gè)實(shí)驗(yàn)中的源代碼頁(yè)只有5000多行。

xv6基于典型的UNIX操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。簡(jiǎn)單地說(shuō),xv6是一種能區(qū)分內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài),基于扁平(或虛存)內(nèi)存管理的層次型單體內(nèi)核,應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)是處于不同的特權(quán)狀態(tài)和地址空間。代表應(yīng)用程序的用戶態(tài)進(jìn)程運(yùn)行在CPU的用戶態(tài)(又稱非特權(quán)模式,用戶模式),無(wú)法直接訪問(wèn)系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)數(shù)據(jù),而操作系統(tǒng)運(yùn)行在CPU的核心態(tài)(又稱特權(quán)模式,內(nèi)核模式),可以訪問(wèn)系統(tǒng)硬件和核心數(shù)據(jù)。下面分別從系統(tǒng)調(diào)用接口、進(jìn)程/線程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、I/O管理等幾個(gè)方面進(jìn)行總體分析。

系統(tǒng)調(diào)用是應(yīng)用程序訪問(wèn)操作系統(tǒng)的接口。在系統(tǒng)調(diào)用接口上,通用操作系統(tǒng)與基于此操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序處于兩個(gè)不同的CPU特權(quán)態(tài),操作系統(tǒng)處于核心態(tài),而應(yīng)用程序處于用戶態(tài)。在核心態(tài)可以執(zhí)行CPU特權(quán)指令,而用戶態(tài)無(wú)法執(zhí)行特權(quán)指令,且只能通過(guò)特定的指令或中斷來(lái)訪問(wèn)操作系統(tǒng)提供的各種功能。這在一定程度上保證了系統(tǒng)整體的安全,避免應(yīng)用程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)可能的破壞。

在內(nèi)存管理方面,xv6操作系統(tǒng)采用了虛擬內(nèi)存管理方式,這樣一般情況下不同進(jìn)程的地址空間不能直接訪問(wèn),且應(yīng)用程序不能直接訪問(wèn)內(nèi)核地址空間。所以一個(gè)錯(cuò)誤的應(yīng)用程序不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰,從而增加了系統(tǒng)的可靠性。在內(nèi)存分配和釋放的管理上,xv6相對(duì)實(shí)現(xiàn)得比較簡(jiǎn)單,采用基于可變分區(qū)分配的首次適配算法,容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

在進(jìn)程管理方面,當(dāng)前操作系統(tǒng)結(jié)合虛存管理,采用進(jìn)程的管理方式。進(jìn)程代表了一個(gè)程序執(zhí)行的過(guò)程以及其所占用的計(jì)算機(jī)資源(包括CPU、內(nèi)存、文件等),進(jìn)程的執(zhí)行流可用線程來(lái)表示。操作系統(tǒng)的調(diào)度單位可以是進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程可以包含多個(gè)線程,屬于同一進(jìn)程的多個(gè)線程共享進(jìn)程管理的資源,比如屬于同一進(jìn)程的多個(gè)線程共享進(jìn)程所管理的內(nèi)存,這些線程可以直接訪問(wèn)屬于進(jìn)程的全局地址空間。 xv6操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于進(jìn)程的簡(jiǎn)單進(jìn)程管理機(jī)制。

在文件系統(tǒng)管理方面,當(dāng)前通用操作系統(tǒng)結(jié)合虛存管理,實(shí)現(xiàn)了多種復(fù)雜、高效且可靠的文件系統(tǒng),且建立了一個(gè)統(tǒng)一的虛擬文件系統(tǒng)層,屏蔽不同文件系統(tǒng)的差異,對(duì)上層提供統(tǒng)一的接口。且與用戶管理和進(jìn)程管理結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)安全管理,保證對(duì)文件的安全訪問(wèn)。xv6操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的基于inode索引方式的文件系統(tǒng)。

在I/O管理方面,xv6操作系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)(特別是類UNIX操作系統(tǒng))差別不是特別大,都把設(shè)備“看成”是一種特殊的設(shè)備文件,有設(shè)備號(hào),用文件的訪問(wèn)接口來(lái)進(jìn)行打開(kāi)、關(guān)閉、讀、寫(xiě)和控制等操作。在靈活性方面,xv6驅(qū)動(dòng)程序不能像通用操作系統(tǒng)那樣根據(jù)硬件情況動(dòng)態(tài)加載,而是在編譯時(shí)候就靜態(tài)確定的。

4結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的探索與實(shí)踐,“操作系統(tǒng)”課程已成為清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。操作系統(tǒng)的發(fā)展,依賴于教、學(xué)雙方的共同參與和努力,以及不斷改革創(chuàng)新的教學(xué)方法。