計算機(jī)操作系統(tǒng)課程中的同步問題教學(xué)

高巖

摘? 要：本文主要針對計算機(jī)操作系統(tǒng)課程中的同步問題教學(xué)進(jìn)行探究。在實際開展教育教學(xué)過程當(dāng)中，可結(jié)合教學(xué)要求，實現(xiàn)對編程操作代碼的適當(dāng)增加，幫助學(xué)生將抽象的知識實現(xiàn)對具體知識的轉(zhuǎn)變，提升學(xué)生的理解能力。也可通過設(shè)計生產(chǎn)者與消費者關(guān)系同步教學(xué)代碼的方式實現(xiàn)對教育教學(xué)質(zhì)量的改善，這為計算機(jī)操作系統(tǒng)課程后續(xù)教學(xué)工作的順利開展打下堅實基礎(chǔ)。同時也可進(jìn)一步改善整體教育教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng);同步問題;教學(xué)

在計算機(jī)科學(xué)技術(shù)當(dāng)中，操作系統(tǒng)原理作為核心課程存在。通過對多年教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程時普遍存在抽象以及難懂的現(xiàn)狀，較為龐大是操作系統(tǒng)的明顯特征，因此，在學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)原理時，我們可從系統(tǒng)代碼角度進(jìn)行?，F(xiàn)在所講述的操作系統(tǒng)原理與編程操作代碼學(xué)習(xí)之間相互分離，所以說深層次實踐的需求得不到滿足。長時間在此種狀態(tài)下開展教育教學(xué)工作，會導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不斷喪失。

一、教學(xué)過程中存在的問題

1.教學(xué)內(nèi)容側(cè)重理論，實踐環(huán)節(jié)薄弱

操作系統(tǒng)課程要有好的教學(xué)效果，就要引導(dǎo)學(xué)生自己動手設(shè)計、實現(xiàn)一個具體操作系統(tǒng)實例。要做到這一點并不容易，這不僅要求學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程之前就要掌握匯編語言、C語言、計算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等多種知識，而且還需要學(xué)生抽出大量的時間和精力放在該實驗上。這樣的要求學(xué)生不易做到。因此現(xiàn)有的教學(xué)過程往往重點偏向操作系統(tǒng)原理的理論教學(xué)，對學(xué)生的實踐環(huán)節(jié)不是很注重。

2.教學(xué)目標(biāo)與社會需求脫節(jié)

促使學(xué)生在掌握計算機(jī)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上實現(xiàn)對計算機(jī)硬件基本原理的有效控制。是計算機(jī)操作系統(tǒng)課程同步教學(xué)所面對的主要問題。其中還會涉及到多種設(shè)計方法以及技術(shù)等。將這一教學(xué)目標(biāo)作為主要依據(jù)，對學(xué)生自主研發(fā)操作系統(tǒng)軟件能力的提升有重要作用。收到計算機(jī)自身行業(yè)特點的制約，只有少數(shù)公司實現(xiàn)對前沿技術(shù)的全部掌握，同時還會涉及到版權(quán)保護(hù)等問題。所以學(xué)生在自主開發(fā)操作系統(tǒng)軟件中投入大量精力，并不具備現(xiàn)實意義。通過對市場需求進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，掌握操作系統(tǒng)并且熟練修改以及編譯器內(nèi)核的人才才缺口相當(dāng)大。

二、進(jìn)程同步的基本概念

現(xiàn)階段教師所面臨的主要問題就是如何在有限的時間內(nèi)實現(xiàn)對課程學(xué)習(xí)的完成。在講授原理的同時，需要將每一個知識點利用可編程操作代碼進(jìn)行講述，尤其是親自上機(jī)操作，實現(xiàn)對結(jié)果的觀察，這種可操作性是幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變知識的有效方法，甚至可以激勵學(xué)生提出全新的思路。但是這種教學(xué)方法也存在一定的弊端，教師的工作量會不斷提升，尤其是操作系統(tǒng)教材不能將可對應(yīng)的代碼提供給學(xué)生。

合作進(jìn)程的同步通過信號量及P、V操作實現(xiàn)，“生產(chǎn)者與消費者關(guān)系”是廣義同步問題的一個抽象模型。但信號量與P、V操作是低級的同步機(jī)構(gòu)，用它們很難表示復(fù)雜的并發(fā)性問題，它們在并發(fā)程序中的出現(xiàn)，使得程序正確性證明更加困難。而且要求用戶自己使用同步原語設(shè)計同步關(guān)系，這本身就不合理，一方面加重了用戶的編程負(fù)擔(dān)，另一方面用戶對同步原語有意或無意的不正確使用都可能破壞并發(fā)系統(tǒng)的正確運行。管程的提出解決了這個問題，管程提供對共享資源的統(tǒng)一管理，能夠同步進(jìn)程。現(xiàn)在支持同步設(shè)計的程序設(shè)計語言都支持管程。在進(jìn)行進(jìn)程同步教學(xué)時，可以利用這種高級語言對抽象模型“生產(chǎn)者與消費者關(guān)系”寫出進(jìn)程同步的代碼，并上機(jī)實踐，使學(xué)生把進(jìn)程同步的抽象知識變?yōu)榫唧w可理解的知識。在選擇編程語言時，本文作者選擇了JAVA。

JAVA是由Sun公司開發(fā)而形成的新一代編程語言，它可以在各式各樣不同機(jī)器、不同操作平臺的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中開發(fā)軟件。它本身是一種獨立編程語言，更是Internet的世界語，極大地提高了Web的交互性。繼HTML（超文本標(biāo)記語言）和WWW（全球信息網(wǎng)）之后，JAVA可稱的上是Internet上第三個重要的技術(shù)發(fā)明。JAVA語言的特點：簡單性、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、分布性、安全性、體系結(jié)構(gòu)中立、可移植性、解釋執(zhí)行、高性能、多線程、動態(tài)性。對于進(jìn)程同步問題，線程是輕型進(jìn)程，本文作者利用JAVA語言設(shè)計了一個線程同步例子，該例子構(gòu)建一個管程實現(xiàn)生產(chǎn)者與消費者的同步。

1.進(jìn)程同步

所謂進(jìn)程同步就是并發(fā)進(jìn)程在一些關(guān)鍵點上可能需要相互等待與互通消息，這樣的相互制約關(guān)系稱為進(jìn)程同步。同步意味著兩個或多個進(jìn)程之間根據(jù)它們一致同意的協(xié)議進(jìn)行相互作用。

2.進(jìn)程同步的基本類型

在操作系統(tǒng)中，有各種各樣進(jìn)程同步，按特點不同一般可將同步問題分為兩類：

（1）各進(jìn)程合作完成某工作的邏輯順序;

（2）對系統(tǒng)資源的共享的合作進(jìn)程的同步。本文主要講解第一類進(jìn)程同步問題的解決方法。

三、信號燈的基本概念

信號燈的概念是由荷蘭人Dijkstra于1968年提出的，這個時期正是操作系統(tǒng)形成的活躍時期。他把互斥的關(guān)鍵概念抽象到信號燈這個概念中。信號燈是一個被保護(hù)的變量，只有P操作、V操作和一種稱為信號燈初始化操作才能訪問和改變它的值。信號燈是一個確定的二元組（s，q），s是一個具有非負(fù)初值的整型變量，q是一個初始狀態(tài)為空的排隊站。創(chuàng)建信號燈時，應(yīng)準(zhǔn)確說明信號燈s的意義和初值（這個初值絕不能為負(fù)值）。每個信號燈都有一個隊列，其初始狀態(tài)為空。

四、用信號燈解決進(jìn)程同步的方法

前趨圖是一種有向無環(huán)圖，可以很好地描述各進(jìn)程在關(guān)鍵點上的同步關(guān)系。每個進(jìn)程在前趨圖中都跟其它進(jìn)程有相互聯(lián)系，有其直接前趨、直接后繼。P3的直接前趨是P1和P2，P3進(jìn)程必須在P1和P2進(jìn)程執(zhí)行完畢才能開始執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)等待;P3的直接后繼是P4，也就是說P4進(jìn)程的直接前趨是P3進(jìn)程，P4進(jìn)程必須在P3進(jìn)程執(zhí)行完畢才能開始執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)等待。

結(jié)語

我們可通過必要的手段，實現(xiàn)對管理線程共享資源緩沖區(qū)的構(gòu)建，其中所涉及到的數(shù)據(jù)交換，主要來源于生產(chǎn)者與消費者，最終實現(xiàn)線程同步的目標(biāo)。該例子完全可以滿足上機(jī)運行的需求，同時實現(xiàn)對正確操作結(jié)果的獲取。在轉(zhuǎn)換抽象教學(xué)內(nèi)容的同時，學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣得到真正意義上的提升。抽象的教學(xué)內(nèi)容也逐步實現(xiàn)向可操作代碼的轉(zhuǎn)變，最終完善教學(xué)整體質(zhì)量與水平。

參考文獻(xiàn)

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