結(jié)合考研的操作系統(tǒng)課程教學探討

梁文娟　杜瑩

摘 要： 操作系統(tǒng)課程是計算機專業(yè)考研統(tǒng)考專業(yè)課之一。對計算機統(tǒng)考以來操作系統(tǒng)真題中知識點數(shù)量和分值分布情況進行了分析，結(jié)合分析結(jié)果，給出了結(jié)合考研的操作系統(tǒng)課程教學方法，并總結(jié)了近幾年的實踐情況。實踐證明，這種教學中融入考研的方法能讓學生對操作系統(tǒng)知識有更深入的理解和掌握，對計算機專業(yè)其他考研課程的教學具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞： 操作系統(tǒng)； 考研； 教學； 并發(fā)； 死鎖

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）01-44-03

0 引言

操作系統(tǒng)既是計算機學科一門重要的專業(yè)基礎課程，也是計算機專業(yè)考研統(tǒng)考的課程之一。課程內(nèi)容豐富，具有知識點多、概念性強、抽象、實踐性強、同時涉及面廣（涉及到計算機體系結(jié)構(gòu)/硬件、軟件設計、程序設計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法、網(wǎng)絡等內(nèi)容）等特點；課程內(nèi)容主要針對單機OS，重點介紹其基本工作原理，同時也要讓學生了解實際操作系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)?；趯W生學習的多重目的，即：不考研的學生學習這門課程主要是為以后的學習和工作打基礎，考研學生還要為考試做準備，因此在講授這門課時一定要注意和考研內(nèi)容的結(jié)合。該課程開設時間為大三上學期，如果授課中能夠結(jié)合考研，那么一定能夠幫助到考研的學生對于操作系統(tǒng)課程的復習，使他們的學習事半功倍。

1 操作系統(tǒng)考研現(xiàn)狀分析及總結(jié)

為了在操作系統(tǒng)課程教學中很好地結(jié)合考研，有必要對近幾年的操作系統(tǒng)考研真題進行分析和統(tǒng)計。

1.1 現(xiàn)狀分析

操作系統(tǒng)課程考研的內(nèi)容從資源管理的角度主要有操作系統(tǒng)概述、進程管理、內(nèi)存管理、設備管理、文件管理和接口等幾大塊內(nèi)容[1-2]。筆者對計算機統(tǒng)考以來的操作系統(tǒng)課程考試的知識點分值分布情況作了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

每年出題涉及的更細化的知識點如下：

2009年選擇題：并行概念、進程調(diào)度算法、死鎖、分區(qū)分配算法、分段地址變換、磁盤調(diào)度算法、IO設備管理、文件控制塊、文件共享、文件在外存的分配方式；

綜合應用題：PV操作和頁式管理機制的考察；

2010年選擇題：操作系統(tǒng)提供的接口、新進程創(chuàng)建、信號量、進程調(diào)度、臨界區(qū)、動態(tài)分區(qū)分配算法、頁表機制、文件外存索引分配方式，目錄，輸入管理等；

綜合應用題：磁盤調(diào)度算法、讀盤時間；頁式管理地址變換、頁面置換算法；

2011年選擇題：進程調(diào)度算法、用戶態(tài)和系統(tǒng)態(tài)、線程、銀行家算法、PV操作、缺頁處理、抖動、程序的編譯和鏈接、IO軟件層次、單、雙緩沖區(qū)處理時間分析；

綜合應用題：頁式存儲、PV原語、文件在外存的分配方式；

2012年選擇題：用戶態(tài)和系統(tǒng)態(tài)、進程調(diào)度、進程線程概念、銀行家算法、并發(fā)執(zhí)行時間分析、虛擬存儲、磁盤調(diào)度、IO軟件層次、終端處理、系統(tǒng)調(diào)用；

綜合應用題：頁面置換、文件分配方式；

2013年選擇題：用戶態(tài)和系統(tǒng)態(tài)、開機啟動過程、進程調(diào)度、銀行家算法、磁盤讀取時間、缺頁處理、IO軟件層次、IO控制方式、IO緩沖區(qū)處理時間計算、文件刪除、文件在外存的分配方式（2個）；

綜合應用題：PV操作、頁式存儲管理。

1.2 分析總結(jié)

根據(jù)對上述近五年來的操作系統(tǒng)考研試題的分析，選擇題經(jīng)常考的知識點如下：

處理機管理部分：進程調(diào)度、進程控制、PV操作、銀行家算法、線程概念；

內(nèi)存管理部分：頁式管理（缺頁處理、頁表機制等）、虛擬存儲、磁盤調(diào)度、分區(qū)分配管理（不太重要）；

設備管理部分：IO控制方式、IO軟件層次及功能、IO緩沖區(qū)管理（單雙緩沖）；

文件管理部分：文件在外存分配方式、文件共享、目錄管理等；

補充部分：系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)，開機啟動；

綜合應用題部分常出的知識點有PV原語操作、頁式管理機制（地址變換、頁面置換等）文件在外存的分配方式等。

2 結(jié)合考研的課程教學內(nèi)容安排與設置

結(jié)合考研，我們從教材的選擇、課程內(nèi)容等方面作了相應的安排和設置。

2.1 教材的選用

目前，操作系統(tǒng)課程的教材大概分為兩類：一類是針對原理進行分析和講解，這些教材的優(yōu)點是較為全面，大多數(shù)教材采用此方法，但缺點是比較難以建立整體概念[3]，典型的書本有Tanenbaum，《操作系統(tǒng)：設計與實現(xiàn)》；第二類是以構(gòu)造一個操作系統(tǒng)為主線，優(yōu)點是通過剖析一個實際操作系統(tǒng)深入了解操作系統(tǒng)的原理，進而推廣至其他系統(tǒng)[4]，典型的有陳莉君的《Linux操作系統(tǒng)原理與應用》，郭玉東的《Linux操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析》[5]等。

我們選擇的教材是《計算機操作系統(tǒng)（第三版）》，由湯小丹、湯子瀛等編寫，西安電子科技大學出版社出版。該教材適合于初學者，簡單易懂，內(nèi)容也比較全面，是大多數(shù)考研的指定教材，但缺點是原理性太強，與實際操作系統(tǒng)結(jié)合有一定的難度，學生在學與用之間難以建立聯(lián)系，而且該教材偏重講解算法[2]。對于這個缺點我們在操作系統(tǒng)實驗設計時做了彌補。

2.2 處理機管理內(nèi)容教學分析與思考

處理機管理是考試的熱門選題，通過第二小節(jié)的分析可以看出，考點即可以出現(xiàn)在選擇題中，也可出在綜合應用題中。處理機管理主要包括進程管理和處理機調(diào)度兩大塊內(nèi)容，這部分是考研的重點，也是難點，因為這部分除了要求掌握基本的概念外，還要求能運用這些基本的原理去分析和解決問題，其中PV原語操作、同步控制問題、處理機調(diào)度算法和死鎖問題都有可能出現(xiàn)在綜合應用題中。因此，在我們講到相關(guān)部分時，在學時安排上一定要有保障。

對進程管理內(nèi)容的教學安排，我們的設置如下。

⑴ 進程和線程定義：講解進程的基本特征、進程的狀態(tài)及其相互的轉(zhuǎn)換條件和過程，進程與線程的區(qū)別和聯(lián)系；這部分出題只可能出選擇題。

⑵ 進程控制：掌握進程的創(chuàng)建、撤銷、阻塞、喚醒的條件，理解四種原語的執(zhí)行過程，為了加深學生的理解，我們補充了Unix操作系統(tǒng)中涉及到相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。

⑶ 進程同步：要求學生掌握什么是并發(fā)進程間的直接制約以及由直接制約所引發(fā)的進程同步，分清什么是私用信號和公用信息，重點要掌握如何用PV原語操作實現(xiàn)同步問題，要會利用PV原語操作來解決經(jīng)典的同步問題。為了幫助學生理解這部分內(nèi)容，在講授經(jīng)典進程同步問題時，我們補充了讀者-寫者問題的讀者優(yōu)先、讀寫平等和寫者優(yōu)先的記錄性信號量的解決方法。同時，我們還結(jié)合PV原語一些典型的練習題和近幾年的考研真題，專門設置了一次習題課，讓學生對這個知識點進行鞏固，并對考研試題中PV信號量的難易程度進行把握。這部分一般會出現(xiàn)綜合應用題。

⑷ 進程通信：只需要知道進程的通信方式及它們各自的特點即可，所以這部分安排一個課時即可。

對處理機調(diào)度部分我們主要考慮以下內(nèi)容。

處理機調(diào)度算法：掌握作業(yè)調(diào)度和進程調(diào)度的策略和算法，重點要掌握幾種典型的調(diào)度算法的基本思想、適用的范圍和特點，要能指出各種調(diào)度算法的調(diào)度順序并能計算它們的周轉(zhuǎn)時間。這部分在09年的試題中占一個選擇題，就是對算法特點的考察，因此，這部分講解完一定要把各種算法放在一起作一個綜合比較，來幫助學生加深對算法的理解。

死鎖：死鎖的定義、死鎖產(chǎn)生的四個必要條件、熟練掌握死鎖的預防、死鎖的避免，死鎖解除的原理與方法。

進程管理部分的處理機調(diào)度、PV原語操作、同步問題、死鎖問題等是考試的重點，也是難點，其中利用PV原語操作解決經(jīng)典的同步問題尤為重要，針對這個問題的出題比較靈活，考生掌握比較難，但是卻是考試出現(xiàn)頻率較高。

2.3 內(nèi)存管理內(nèi)容教學分析與思考

內(nèi)存管理也是操作系統(tǒng)的管理功能之一，這部分也是考試的一個重點，這部分內(nèi)容的考查方式很靈活。我們把重點放在內(nèi)存連續(xù)分配算法、非連續(xù)分配管理方式、虛擬內(nèi)存請求分頁的基本原理，頁面置換算法等內(nèi)容；虛擬內(nèi)存這部分內(nèi)容可以結(jié)合計算機組成原理科目中虛擬存儲器來講，這部分往往出綜合應用題的可能性較大。

具體的教學內(nèi)容安排如下。

⑴ 連續(xù)分區(qū)分配管理：連續(xù)分配管理主要是分區(qū)分配管理，這部分內(nèi)容不是很重要，授課時有一點需要注意，即我們補充了一個伙伴算法，因為Linux操作系統(tǒng)當中用到了伙伴系統(tǒng)。這部分在2010年的考研真題中出了一道選擇題，考察連續(xù)分區(qū)分配的幾種算法。

⑵ 非連續(xù)分配管理：主要是分頁管理方式、分段管理方式、段頁式管理方式，對這三種內(nèi)存管理方式的基本思想和實現(xiàn)原理都一定要講清楚，其次是要理解什么是交換和覆蓋技術(shù)，以及兩者的區(qū)別。

⑶ 虛擬內(nèi)存管理：是重點中的重點，要讓學生必須弄清楚虛擬內(nèi)存以及它的三個主要特征，在此基礎上掌握請求分頁存儲管理方式、請求分段式和請求段頁式管理，對請求分頁管理方式的頁表結(jié)構(gòu)、頁面分配算法和頁面置換算法都要深入理解，特別是考研大綱中列出的幾種頁面置換算法，要能夠畫出各個算法內(nèi)存中頁面變化情況并能夠計算缺頁率，尤其要注意掌握抖動現(xiàn)象的實例，對于這個知識點有可能會出綜合應用題。

內(nèi)存管理部分的重點是虛擬內(nèi)存管理部分，考生要特別重視頁面置換算法和抖動現(xiàn)象，要會計算缺頁次數(shù)和缺頁率，頁面置換這也是考試中出現(xiàn)頻率很高的一個內(nèi)容。

2.4 設備管理內(nèi)容教學分析與思考

I/O管理重點應該放在對基本概念的掌握，主要是對基本概念和原理的理解和記憶，出應用題的可能性很小。重點掌握四種輸入/輸出控制方式特點及相互比較、中斷處理、SPOOLing系統(tǒng)的組成和特點，提高性能的緩沖策略等。

2.5 文件管理內(nèi)容教學分析與思考

文件管理這部分內(nèi)容的重點是文件的幾種邏輯物理結(jié)構(gòu)、目錄的管理和磁盤管理，重點掌握磁盤管理各種調(diào)度算法的基本原理及其應用。

文件的物理結(jié)構(gòu)分為連續(xù)分配、鏈接分配和索引分配三種方式，我們需要補充Unix中的混合索引方式，因為對文件的檢索有可能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的查找算法結(jié)合出綜合應用題，所以應該引起重視。

對于磁盤管理方法：空閑表法、位示圖法、成組鏈接法，我們只需要介紹這幾種方法分別是如何進行磁盤分配和回收的就可以了，其中成組鏈接法是一個相對比較難的知識點。

磁盤調(diào)度算法：需要掌握磁盤訪問時間由哪幾個部分組成，每部分時間如何計算，這部分出過選擇題，還要掌握各種調(diào)度算法的思想及平均尋道距離的計算。磁盤調(diào)度算法這部分也出過選擇題。

文件管理部分的重點在文件的物理結(jié)構(gòu)和目錄結(jié)構(gòu)上，這兩個點都很容易和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容相結(jié)合，所以有可能會出現(xiàn)跨科目的綜合性題目，考生應當引起重視。對于操作系統(tǒng)的概述和I/O管理部分，考生要注重基本概念的掌握，這兩個部分應該出大題的可能性不大。

3 結(jié)束語

本文針對操作系統(tǒng)課程的特點，提出了結(jié)合考研的操作系統(tǒng)教學方法，并給出了結(jié)合考研的課程內(nèi)容的教學分析和思路，并已經(jīng)實施。從實施的效果上看，這種教學方法能夠充分調(diào)動學生的積極性，進一步加深學生對操作系統(tǒng)相關(guān)知識點的理解，取得了良好的教學效果。同時從這幾屆的考研情況看，四門專業(yè)課中的操作系統(tǒng)部分普遍得分較高。不考研的學生也同樣得到了提高，能讓他們對操作系統(tǒng)知識有更深入的理解和掌握，有助于他們理解實際操作系統(tǒng)的內(nèi)容。這種教學方法對計算機領域其他考研課程的教學具有一定的借鑒作用。

參考文獻：

[1] 湯子瀛，哲鳳屏，湯小丹.計算機操作系統(tǒng)（修訂版）[M].西安電子科技

大學出版社，2001.

[2] 湯小丹，梁紅兵，湯子瀛等.計算機操作系統(tǒng)（第三版）[M].西安電子科

技大學出版社，2007.

[3] Tanenbaum.操作系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[M].清華大學出版社，2008.

[4] 陳麗君等.Linux操作系統(tǒng)原理與應用[M].清華大學出版社，2006.

[5] 郭玉東，操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析[M].西安電子科技大學出版社，2002.