對比法在操作系統(tǒng)教學中的應用

摘 要：操作系統(tǒng)是計算機學科的一門核心課程，但該課程的理論性較強、抽象枯燥的知識點使得學生很難把握。本文運用對比法對操作系統(tǒng)中具有代表性的進程同步進行分析，并總結解決進程同步問題的一般方法。

關鍵詞：操作系統(tǒng)；對比法；進程同步

中圖分類號：TP316-4；G642

1 引言

操作系統(tǒng)在計算機中占有十分重要的地位，它是計算機硬件功能的首次擴充，對系統(tǒng)中的所有軟件和硬件資源實施有效的管理。因此，操作系統(tǒng)是計算機學科的一門核心課程，對計算機科學領域內其他課程的學習具有承上啟下的作用。

1.1 操作系統(tǒng)教學現(xiàn)狀

操作系統(tǒng)課程中涉及的基本概念多、知識點比較抽象。其次，操作系統(tǒng)的強理論性，導致很多學校忽視了實踐環(huán)節(jié)，但很多原理恰恰需要通過實踐來驗證。因此，在操作系統(tǒng)的教學過程中，如果教師仍然采用傳統(tǒng)的教學手段來講授那些抽象、枯燥的原理的話，學生很難理解，同樣，對于教師來講，課堂效果也達不到預期的目標。

1.2 操作系統(tǒng)教學方法的改進

操作系統(tǒng)的理論知識雖然枯燥、抽象，但是在實際的系統(tǒng)使用以及程序設計過程中都有體現(xiàn)，因此在教學過程中可以把一些基本工作原理和具體實例結合起來，通過對實例的分析使得原有抽象的知識點變得淺顯易懂、簡潔明了。

2 對比法在操作系統(tǒng)教學中的應用

在操作系統(tǒng)教學的知識體系中，進程同步是重點也是難點。在計算機系統(tǒng)中由于資源競爭可能存在以下兩種制約關系：

（1）間接制約是指進程之間對于某種共享資源的競爭，進程對該資源必須采用互斥的訪問方式。

（2）直接制約是指進程之間存在著合作關系，主要體現(xiàn)在相互等待和發(fā)送信息。

目前，信號量機制是一種卓有成效的進程同步工具。但是信號量機制比較抽象，學生不容易理解，同時進程同步的實例較多、變化大，與實際生活中的問題聯(lián)系緊密。因此在教學過程中，尋找一種解決進程同步的方法尤為重要。

本文采用對比法對進程同步實例進行分析，并總結出進程同步一般的解決方法和步驟。

對比教學法就是指在教學中，將一些具有某種聯(lián)系和區(qū)別的教學內容放在一起進行對比分析，找出其相同和不同之處，使學生在明確了一個內容之后能夠自然地聯(lián)想到另一個內容，并能理解和掌握。

在操作系統(tǒng)中，信號量本質是一個整型變量，記錄型信號量機制中，信號量不同的取值代表不同的含義，大于等于零代表系統(tǒng)中可用資源的數(shù)目，小于零代表正在等待使用某個資源的進程數(shù)。信號量的值僅能由wait、signal原語操作改變，執(zhí)行一次wait操作意味著請求分配一個單位資源，信號量的值減一；而執(zhí)行一個signal操作意味著釋放一個單位資源，信號量的值加一。

接下來給出兩個進程同步的例子，運用對比法找出它們之間的相同以及不同之處，進而給出進程同步的一般解決方法。

例1：設進程Pa和Pb通過緩沖區(qū)隊列傳輸數(shù)據(jù)，Pa為發(fā)送進程，Pb為接收進程。該例中發(fā)送進程Pa發(fā)送數(shù)據(jù)前需等待空的緩沖區(qū)，因此需要給Pa進程定義一個私用信號量，代表其等待的事件，當數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)后，需向接收進程發(fā)送緩沖區(qū)滿的消息，同理，接收進程Pb接收數(shù)據(jù)前需等待滿的緩沖區(qū)，因此需要給Pb進程定義一個私用信號量，代表其等待的事件，當數(shù)據(jù)取走后，需向發(fā)送進程發(fā)送緩沖區(qū)空的消息。

根據(jù)以上分析，分別給出發(fā)送進程Pa 和接收進程Pb的算法描述：

Pa： wait（Bufempty） Pb： wait（Buffull）

選擇一個空緩沖區(qū)Buf 選擇一個滿緩沖區(qū)Buf

Buf←data data←Buf

Buf置滿 Buf置空

signal（Buffull） signal（Bufempty）

例2：有一群生產(chǎn)者進程在生產(chǎn)產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品提供給消費者進程去消費。在兩者之間設置了一個具有n個緩沖區(qū)的緩沖池，生產(chǎn)者進程將所生產(chǎn)的產(chǎn)品放入一個緩沖區(qū)；消費者進程從一個緩沖區(qū)中取走產(chǎn)品消費。該例中生產(chǎn)者Producer進程生產(chǎn)產(chǎn)品前需等待空的緩沖區(qū)，因此需要為設置一個私用信號量代表其等的事件，同時，當產(chǎn)品放入緩沖區(qū)內，生產(chǎn)者需向消費者發(fā)送緩沖區(qū)滿的信息；同理，消費者Consumer進程在消費產(chǎn)品之前需等待滿的緩沖區(qū)，因此需要為消費者定義私用信號量來代表它等的事件，同時，消費者取走產(chǎn)品后需向生產(chǎn)者發(fā)送緩沖區(qū)為空的信息。以上分析僅僅考慮一個生產(chǎn)者和一個消費者的情況，但是該模型中生產(chǎn)者和消費者都是一群，因此，可能會存在這樣一種情況，兩個生產(chǎn)者往同一個空緩沖區(qū)放產(chǎn)品或者兩個消費者從同一個滿的緩沖區(qū)取產(chǎn)品的情況，不管是哪種情況都會發(fā)生錯誤，因為一個空緩沖區(qū)只允許放一個產(chǎn)品，一個產(chǎn)品只能被一個消費者消費。為了防止發(fā)生這類錯誤，需要為緩沖池定義信號量來保證互斥訪問。

根據(jù)上述分析，分別給出生產(chǎn)者進程Producer和消費者進程Consumer的算法描述：

proceducer： repeat consumer： repeat

生產(chǎn)產(chǎn)品； wait（full）；

wait（empty）； wait（mutex）；

wait（mutex）； 從滿緩沖區(qū)取產(chǎn)品

放入空緩沖區(qū)； signal（mutex）；

signal（mutex）； signal（empty）；

signal（full）； 消費產(chǎn)品

until 1； until 1；

綜上，上述兩個例子的相同之處是進程之間都需要等待和發(fā)送緩沖區(qū)滿或者空的信號，但是兩者存在的顯著不同是生產(chǎn)者或者消費者是一個還是一群的問題，如果是一群的話，為了防止因為競爭資源而導致的錯誤發(fā)生，需對資源實現(xiàn)互斥訪問。

針對上述兩個實例，本文給出解決一般進程同步與互斥的方法：首先判斷是否存在臨界資源，如存在需通過設置信號量來實現(xiàn)對該資源的互斥訪問；其次，明確進程之間的合作關系，為進程等待的每個事件設置私用信號量來合作；最后把wait（s）和signal（s）加在程序的適當位置來規(guī)定程序的執(zhí)行順序，并對每個信號量附上初值。

3 結束語

對比法教學通過對相似案例的分析，找出它們之間相同和不同之處，提高學生解決復雜問題的能力，并總結解決該類案例的一般方法。教師如選擇案例恰當?shù)脑?，學生對知識點就比較容易掌握。

參考文獻：

[1]湯小丹.計算機操作系統(tǒng)[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[2]岳冬利.操作系統(tǒng)課程中的比喻教學[J].教育與教學研究.2008：92-93.

作者簡介：徐伶伶（1981.09-），女，江蘇太倉人，研究生，講師，研究方向：計算機應用技術；王瑩瑩（1987-），女，山東聊城人，研究生，講師，研究方向：計算機應用技術。

作者單位：青島工學院，山東青島 266300