操作系統(tǒng)進程同步和互斥教學方法研究

羅嬌敏

摘要：操作系統(tǒng)課程內容涵蓋計算機各類資源的管理，其中進程管理部分的同步和互斥是重點難點，學生很難掌握。該文通過引入生活實例，采用類比和啟發(fā)式教學方法，有助于理解和掌握信號量機制的應用，而且能提高學生分析問題和解決問題的能力。

關鍵詞：進程；同步；互斥；信號量

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）44-0255-02

一、引言

操作系統(tǒng)課程是計算機及相關專業(yè)學生的必修主干核心課程。作為一門原理性課程，其內容龐雜，涉及面廣，概念多，理論性強，比較枯燥，而且很多概念和算法相當抽象[1]。尤其是進程管理中進程同步和互斥部分的內容，進程本身就是一個抽象概念，研究進程的并發(fā)執(zhí)行控制的問題就更難理解。但該課程也有其特殊之處，學生每天都在接觸操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)是人設計出來的，其中很多資源管理的方法又來源于我們日常生活對于事情的處理，所以如果能在授課過程中巧妙跟日常生活中的實例結合起來，通過類比和啟發(fā)式教學方法調動學生學習積極性，學生就能自主將抽象的內容形象化，輕松愉快地理解問題掌握知識[2]。

二、教學思路

操作系統(tǒng)學習除了讓學生掌握其原理外更重要的是培養(yǎng)學生運用計算機思維來解決問題的能力，而類比和啟發(fā)式教學能很好地實現(xiàn)這個目標[3]。類比和啟發(fā)式教學是指教師根據(jù)教學目標，遵循教學規(guī)律，在教學過程中依據(jù)學習過程的客觀規(guī)律，引入具備相似特點的實例，通過引導、指導、開導、啟示，激發(fā)學生的學習興趣，使學生能主動、自覺、積極地思考和學習，并主動實踐的一種教學方法。該方法在應用時首先應該明確該知識點要解決的問題，確認教學目標；接著選擇日常生活中與該問題有共通點的情境，并提出思考性問題；然后引導學生對生活中類似的情境思考和尋找解決問題的方案，之后啟發(fā)學生運用思考出的方案思路解決操作系統(tǒng)中的問題，最后進行反饋和總結。該教學法的“啟”體現(xiàn)的是教師的主導導向地位，“發(fā)”體現(xiàn)的是學生在教學中自主的認知方法。下面以信號量為例進行闡述。

三、信號量機制

進程同步和互斥是多進程并發(fā)執(zhí)行時兩種典型制約關系，用于解決并發(fā)執(zhí)行的進程之間的運行協(xié)調問題。信號量機制是操作系統(tǒng)中一種有效的進程同步機制。對于信號量這個名詞，首先引導學生對于信號量的聯(lián)想。講到信號量，很多學生會脫口而出提到紅綠燈，實際上進程同步中信號量就相當于交通系統(tǒng)中的紅綠燈。紅綠燈是通過信號燈的顏色變化來控制各個方向上車輛的走走停停，也就是我們耳熟能詳?shù)摹凹t燈停，綠燈行”。如果用計算機能識別的兩個數(shù)0和1分別對應紅燈和綠燈，紅綠燈就是通過一個數(shù)值的變化來控制車輛運行，而信號量就是通過數(shù)值的變化來控制進程的運行。接下來對于操作系統(tǒng)進程同步的信號量機制就很好理解：把車輛看成計算機系統(tǒng)中運行的進程，紅綠燈機制就是進程并發(fā)執(zhí)行的信號量機制。這里的信號量實際是一個整形的變量S，操作系統(tǒng)就是通過該S的值的變化來控制進程運行的走走停停。變量S的值的變化可以通過三個操作完成：初始化、P操作和V操作。P操作使變量值減1，如果此時值小于0，則表明沒有可用資源，進程必須等待，所以P操作相當于申請一個資源；反之V操作使變量值加1，此時如果值小于等于0，則表明有進程正在等待該資源的使用，需要喚醒等待隊列里的第一個進程，所以V操作相當于釋放一個資源。用信號量進行進程同步和互斥控制，就是在程序合適的地方添加PV操作，使進程按照需要的順序運行或使用資源。

四、信號量控制進程互斥

進程互斥是由于共享資源引起的一種間接制約關系，解決的是進程互斥使用臨界資源的問題。根據(jù)這個特點，可以引導學生列舉日常生活中需要互斥共享資源的實例，而這種實例比比皆是。比如餐具的使用、教室的使用、教學樓洗手間的使用等。接下來就以教學樓洗手間使用為例講解互斥控制過程：對于洗手間每個位置一段時間只允許一個人使用，每個人在進去前都應該先敲門，如果有人正在使用就要等待，沒人就推門進去，同時把門鎖起來；接下來可以安心使用這個資源，整個過程因為門是鎖好的不可能有其他人進來打擾；使用完成后把門打開離開，讓后面的人能繼續(xù)使用該資源。在這個例子中，洗手間就是一種典型的臨界資源，一次只允許一個人使用，洗手間的使用過程也正好說明了對臨界資源使用的控制。所有進程在使用臨界資源之前都應該先申請，根據(jù)資源狀態(tài)進行相應操作：資源如果已經被使用，申請進程就應該等待；資源如果空閑申請進程就可以使用，同時要置資源狀態(tài)為忙碌；使用完成后釋放資源，以便其他的進程能夠繼續(xù)使用。根據(jù)該流程，一般把臨界資源的使用分成三段：進入?yún)^(qū)、臨界區(qū)和退出區(qū)。設置一個信號量S來代表該類資源，進入?yún)^(qū)就是申請資源，即P（S）；退出區(qū)相當于釋放，即V（S）。信號量對于進程互斥控制的模型就可以歸納如下：多個進程對臨界資源進行互斥使用時，設置一個信號量S初始值置為1，每個進程使用資源前先執(zhí)行P（S），使用以后執(zhí)行V（S）。即：Pi（）{P（S）；code；V（S）}。

五、信號量控制進程同步

進程同步是由進程相互合作引起的，解決的是進程相互合作過程中執(zhí)行的時序控制問題。運動會上4×100米接力就是典型的需要相互合作完成比賽的例子：四個選手跑步按照嚴格的先后順序進行，前一個選手的接力棒傳給后一個選手時后一個選手才可以起跑。在這個過程中接力棒實際上就是兩個選手合作的信號量，前一個選手到達目的地后交出接力棒相當于釋放資源，后一個選手起跑之前要取得接力棒相當于申請資源。以前兩個選手起跑為例，第一個選手聽到槍響就起跑，完成賽程后把接力棒遞交給第二個選手，第二個選手才可以起跑。把這兩個選手看作兩個進程P1和P2，P1一定要先于P2執(zhí)行，根據(jù)上述分析可以設置一個信號量S用來表示P2是否可以執(zhí)行，s的初始值為0，P1執(zhí)行完以后V（S），P2執(zhí)行之前P（S）。由于信號量的初始值為0，如果第二個選手在第一個選手沒有到達的情況下想起跑，會因為執(zhí)行P（S）后s<0而阻塞，只有當?shù)谝粋€選手到達執(zhí)行V（S）后才能被喚醒執(zhí)行，從而達到控制選手跑步順序的目的。綜上，我們總結出信號量進行進程同步控制的模型如下：兩個并發(fā)進程P1和P2，P1要先于P2執(zhí)行，則可設置一個信號量Semaphore s，s初始值為0，其同步控制程序如下：p1（）{code1；V（s） } ； p2（）{P（s）； code2}。

六、結束語

進程同步和互斥是操作系統(tǒng)課程中的重點難點，通過與生活中具體的實例結合起來，運用啟發(fā)和類比的方法，讓學生能生動理解其中的控制過程，對于知識點的掌握更容易。實踐證明，該教學法使學生感到親切且易于思考，教學效果明顯提高。

參考文獻：

[1]湯子瀛，哲鳳屏，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，2001.

[2]韋婷.啟發(fā)式教學在操作系統(tǒng)課程中的應用[J].電腦知識與技術，2011，7（13）：3223-3224.

[3]金雪云.啟發(fā)式教學法在計算機操作系統(tǒng)課程教學中應用的研究[J].全國計算機新科技與計算機教育學術大會，2010.endprint