論計算機操作系統(tǒng)原理中蘊含的生活智慧

趙華 樊建聰 張金泉 李旭健

摘要：操作系統(tǒng)是計算機資源的管理者，其中的許多原理都可以用于指導(dǎo)現(xiàn)實生活。文章以三個概念為例將操作系統(tǒng)中的重要概念與生活中常見問題相結(jié)合，具體探討了顛簸與設(shè)定目標(biāo)過多、上下文切換與目標(biāo)不專注、虛擬存儲器與非理性消費之間的關(guān)系，深入挖掘操作系統(tǒng)原理中蘊含的生活智慧。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；顛簸；上下文切換；虛擬

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）43-0259-02

一、引言

計算機系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其中包含了多種硬件、多種軟件。而操作系統(tǒng)（Operating System，OS）作為用戶和計算機硬件之間的接口[1]，管理著計算機中的各類資源，具體包括CPU管理、內(nèi)存管理、外存管理以及I/O管理。具體來講，OS管理和分配計算機系統(tǒng)的硬件和軟件，使之能為用戶提供良好的服務(wù)，并保證各類應(yīng)用程序正常運行。對于用戶而言，我們很難想象如何去使用一個未配置操作系統(tǒng)的計算機。從一定意義來講，沒有了操作系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)將寸步難行。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機的功能和復(fù)雜性越來越復(fù)雜，相應(yīng)的，操作系統(tǒng)所需要掌控的事情也越來越多，越來越復(fù)雜[2]。能將如此復(fù)雜的系統(tǒng)管理的有條不紊，操作系統(tǒng)本身是充滿智慧的（當(dāng)然OS的智慧是OS設(shè)計者賦予的）。我們作為自己生活的管理者，只有妥善管理和自己相關(guān)的各種資源和事務(wù)才能讓我們的工作和生活更加美好。

二、OS原理中蘊含的生活智慧

1.顛簸與設(shè)定目標(biāo)過多。在支持虛擬存儲管理方案的系統(tǒng)中，允許只裝入進程的一部分（而非全部）便開始運行進程。然而，如果一個進程沒有獲得其運行過程中所需要的所有物理內(nèi)存空間，那么它在運行過程中會發(fā)生頁錯誤（缺頁，即所要訪問頁面還沒有進入內(nèi)存），如果此時物理內(nèi)存中已經(jīng)沒有多余的空間，那么需要置換某個已經(jīng)在內(nèi)存中的頁，然而目前在內(nèi)存的所有頁都在使用，所以置換的頁會再次需要被需要，然后再置換。因此，如果給進程分配的物理頁太少，進程在運行過程中會一再地產(chǎn)生頁錯誤。這種頻繁的頁調(diào)度行為稱為顛簸，也稱為抖動（Trashing）[3]。

一旦系統(tǒng)產(chǎn)生顛簸，進程的大部分時間都將用于頁面的置換，而幾乎不能再去做任何有效的工作，此時系統(tǒng)的效率和停滯差不多，所以顛簸是系統(tǒng)發(fā)生的一個非常嚴(yán)重的問題。那么為什么會產(chǎn)生顛簸呢？這需要從多道程序設(shè)計技術(shù)談起。操作系統(tǒng)發(fā)展初期，只能支持單道程序設(shè)計技術(shù)，此時CPU和I/O設(shè)備的利用率都非常低。為了改善這一情況，引入了多道程序設(shè)計技術(shù)，即允許多個進程并發(fā)存在，從而提高了處理機和設(shè)備的利用率。但是有了虛擬存儲技術(shù)以后，多道程序度與處理機的利用率實際情況如圖1所示[1]。從圖中可以看出，處理機的利用率并不是隨著多道程序度的增加而一直遞增的，當(dāng)多道程序度增加到一定程度再引入新的進程的話，CPU利用率反而會急劇下降，此時便是發(fā)生了抖動。

現(xiàn)實生活中很多同學(xué)的學(xué)習(xí)生活中也存在顛簸現(xiàn)象，許多同學(xué)一段時間給自己設(shè)定了太多的目標(biāo)，尤其是大一的學(xué)生們，剛進入大學(xué)校園一切都是那么的新鮮，同時又沒有了像高中那么大的學(xué)習(xí)壓力，所以會參加許許多多的社團。但是殊不知在剛進入大學(xué)的時候，同學(xué)們還面臨著一個很重要的問題就是從高中的學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變到大學(xué)的學(xué)習(xí)方式，如果這個時候從事太多與學(xué)習(xí)無關(guān)的工作，勢必會耗費太多的精力，從而用在學(xué)習(xí)的時間無法保證。

2.上下文切換與目標(biāo)不專注。進程（Process）是計算機中的程序關(guān)于某數(shù)據(jù)集合上的一次運行過程，是OS的基礎(chǔ)。進程在運行過程中，需要一定的環(huán)境，比如存放在存儲器中的程序的代碼和數(shù)據(jù)、棧、通用目的寄存器的內(nèi)容，程序計數(shù)器，環(huán)境變量以及打開文件描述符的集合等，這樣的運行環(huán)境我們稱之為進程的上下文。現(xiàn)代操作系統(tǒng)都支持多個進程的并發(fā)執(zhí)行，所謂并發(fā)是指在一段時間內(nèi)多個進程可以同時存在于內(nèi)存中，而且他們的指令是交錯執(zhí)行的。當(dāng)OS決定要將控制權(quán)從當(dāng)前進程轉(zhuǎn)移到某個新進程時，就要將當(dāng)前進程的上下文保護起來，然后恢復(fù)新進程的上下文，然后將控制權(quán)傳遞給新進程，新進程就會從上次停止的地方開始執(zhí)行。上下文切換的示意圖如圖2所示。通過上下文切換機制，使得多個進程在OS上并發(fā)執(zhí)行成為了可能，但是從圖2可以看出，上下文切換的時間既沒有用于執(zhí)行當(dāng)前進程也沒有用于執(zhí)行新進程，所以這部分時間屬于時間損耗[4]。上下文切換越頻繁，時間損耗越大。

上下文切換所帶來的時間損耗例子在我們現(xiàn)實生活中經(jīng)常遇到。從短時間的事件來看，有些同學(xué)在某時間段的學(xué)習(xí)過程中不停的切換學(xué)習(xí)科目，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率非常低。而從長時間的事件來看，有些同學(xué)參加了工作以后會感覺工作不順心，頻繁地跳槽，很多情況下導(dǎo)致工作業(yè)績平平。無論短時間的事件還是長時間的事件，這些同學(xué)們都犯了同樣的問題，就是在新舊工作交替的過程中，我們每個人都需要從一個工作（思維）模式轉(zhuǎn)換到另一個工作（思維）模式，這期間會耗費很多時間和精力去適應(yīng)。敏捷[5]開發(fā)價值觀之一便是專注，其含義是指在一段時間內(nèi)只專注于少數(shù)幾件事情，以便可以很好地獲得優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)出，能夠更快地交付有價值的事項。這個價值觀其實也是在說我們學(xué)習(xí)和工作中要盡可能地目標(biāo)專注，這樣才能更快更好地出成績。

3.虛擬存儲器與非理性消費。虛擬存儲器（Virtual Memory）是計算機內(nèi)存管理的一種技術(shù)[6]。該技術(shù)的提出主要源于早期計算機內(nèi)存不夠大，為了讓比較大的進程運行起來，基于進程執(zhí)行的局部性原理，提出了可以將先將進程的一部分讀入內(nèi)存從而讓進程運行起來，進程的其余部分仍然駐留在磁盤（對換空間）中。進程在運行過程中會產(chǎn)生缺頁（即將要訪問的內(nèi)容還沒有進入內(nèi)存），此時產(chǎn)生缺頁中斷，然后將缺少的內(nèi)容調(diào)入到內(nèi)存中。通過這樣的請求調(diào)頁、置換等操作，可以讓小內(nèi)存運行大的作業(yè)，從而給用戶造成系統(tǒng)內(nèi)存足夠大的假象，此即虛擬性的含義所在。虛擬存儲器邏輯容量是內(nèi)存和外存之和，然而現(xiàn)實應(yīng)用中不能將虛擬存儲器設(shè)置的過大，因為如果把太多內(nèi)容都放在虛擬存儲器上，而內(nèi)存中只裝入很少一部分內(nèi)容的話，進程在運行過程中會出現(xiàn)多次缺頁，而每次缺頁都要去訪問磁盤，效率將會大大降低，嚴(yán)重的時候會發(fā)生上述的顛簸現(xiàn)象。改革開放以來，受美國等一些西方國家的影響，消費主義思潮涌入我國[7]。大學(xué)生作為一支非常年輕而又有活力的群體，對新鮮事物具有很高的敏銳性和更強的接受能力。

三、結(jié)束語

操作系統(tǒng)作為計算機系統(tǒng)資源的管理者，能將如此復(fù)雜的計算機系統(tǒng)管理的有條不紊，其中蘊含的許多原理可以用于指導(dǎo)我們的生活和工作。在多年教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，文章以三個操作系統(tǒng)概念為例，剖析了其中的原理，并將其對應(yīng)到現(xiàn)實問題，為我們的工作和生活提供一定的指導(dǎo)。

參考文獻：

[1]湯小丹，梁紅兵，哲鳳屏，湯子瀛.計算機操作系統(tǒng)（第四版）[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2015.

[2]鄒恒明.操作系統(tǒng)之哲學(xué)原理[M].機械工業(yè)出版社，2012.

[3]Abraham Silberschatz，Peter Baer Galvin，Greg Gagne.Operating System Concepts （Seventh Edition）.Higher Education Press，2008.04.

[4]于廣良，楊孟飛.考慮中斷和上下文切換開銷的響應(yīng)時間分析[J].軟件學(xué)報，2017，29（6）：1-20.

[5]榮國平，劉天宇，謝明娟，陳婕妤，張賀，陳道蓄.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中敏捷方法的應(yīng)用研究綜述[J].軟件學(xué)報，2014，25（2）：267-283.

[6]趙華，張金泉，樊建聰.多元化教學(xué)方法在操作系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用[J].計算機教育，2013，（15）：36-38.

[7]屈朝霞，董國靜.消費主義思潮影響下大學(xué)生科學(xué)消費觀的培育[J].山東科技大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2013，15（6）：89.

Abstract：Operating system is the manager of computer resources，many of which can be used to guide real life.The relationship between bumpy and goal-setting，context switching and unfocus，virtual memory and irrational consumption is discussed，and the wisdom of life contained in the principle of operating system is deeply explored.

Key words：operating system；bumpy；context switching；virtual