操作系統(tǒng)中的情景式教學(xué)之進程管理

王舉輝

山東理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東 淄博 255000

操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的核心軟件之一,是覆蓋在硬件上的第一層軟件,實現(xiàn)了對計算機功能的首次擴充[1]。操作系統(tǒng)原理也是考研以及重大考試的主要課程。因此,提高該門課程的教學(xué)質(zhì)量對于培養(yǎng)合格的計算機專業(yè)人員是至關(guān)重要的,如何學(xué)好操作系統(tǒng)也是每個教師學(xué)生所關(guān)心的。

但操作系統(tǒng)原理的特點是概念多、原理多,許多知識點晦澀難懂,看不見摸不著,很難理解。但操作系統(tǒng)的理論來源于實踐,是一門非常典型的“理論來源于實踐,反過來又指導(dǎo)實踐”的課程。在實際生活中,有關(guān)操作系統(tǒng)的概念、理論、算法的思想無處不在。因此,我們可以將生活中的現(xiàn)象與操作系統(tǒng)中的知識點有機結(jié)合起來,充分利用情景式教學(xué),幫助學(xué)生更好地理解和掌握操作系統(tǒng)。

1 進程管理概述

進程管理部分主要包括進程控制、進程同步、進程通信和調(diào)度。

現(xiàn)代操作系統(tǒng)所體現(xiàn)出來的特征主要是基于進程的存在。進程和線程是兩個非常抽象的概念,是為了程序的并發(fā)而“造”的概念。進程描述了程序的一次運行過程,進程的存續(xù)類似于我們?nèi)说囊簧?/p>

進程和線程都屬于“造”的概念,恰如我們生活中的“雙十一”、“618”等購物節(jié),都是為了完成某個任務(wù)而產(chǎn)生的。線程是比進程更小的實體,本身擁有的資源很少,與同屬于一個進程的線程共享該進程的資源,這樣線程帶來的時空開銷比較少,切換速度比較快。進程與線程的關(guān)系猶如一臺舞臺劇,進程是舞臺上的布景、設(shè)施和音樂,而線程則是舞臺上表演的演員,彼此共享舞臺(相當于同屬于一個進程的線程共享該進程的資源)。

2 情景式教學(xué)

情景教學(xué)法是指教師在教育教學(xué)過程中,進行情緒色彩在內(nèi)的、力求形象生動場景的創(chuàng)建,以此提升學(xué)生的情感與學(xué)習(xí)積極性,指導(dǎo)學(xué)生對教材內(nèi)容進行深入理解,提升學(xué)生學(xué)習(xí)的能力[2]。

情景教學(xué)必須與“知情統(tǒng)一”原則相符合。也就是有效地將所學(xué)知識充分結(jié)合情感,促進兩者之間的相互轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)知識的融會貫通,這與情景教學(xué)具有統(tǒng)一性。基于此,情景教學(xué)法主要就是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 處理機調(diào)度中的情景教學(xué)

多道程序環(huán)境中的進程要獲得處理機,必須經(jīng)過調(diào)度程序的調(diào)度。所謂調(diào)度就是根據(jù)既定的調(diào)度策略選擇一個進程讓其獲得CPU。生活中的“調(diào)度”無處不在。

情景1：食堂排隊打飯,非常典型的FCFS算法的體現(xiàn),不需要“排隊器”重新排隊,簡單。

情景2：醫(yī)院看病,通過掛號排隊等待,但一旦有危急病人,必須優(yōu)先診療,典型的優(yōu)先級高者優(yōu)先調(diào)度。

情景3：幼兒園老師喂飯。幼兒園幼小的孩子需要老師協(xié)助進餐,通常的做法是小朋友圍坐在桌子邊,老師一人一口輪著喂,很典型的“時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法”。

上述情景在生活中容易見到,學(xué)生體會深刻,算法不再是枯燥的理論,而是隨處可見的生活。

4 進程同步中的情景教學(xué)

并發(fā)執(zhí)行的進程如果不加以控制的話,可能使得執(zhí)行結(jié)果具有不可再現(xiàn)性,這是計算機用戶不能接受的。進程同步的基本任務(wù)是對多個相關(guān)進程在執(zhí)行次序上進行協(xié)調(diào),使并發(fā)執(zhí)行的諸進程之間能按照一定的規(guī)則(或時序)共享系統(tǒng)資源,并能很好地相互合作,從而使程序的執(zhí)行具有可再現(xiàn)性[1]。信號量機制是常用的同步機制。

信號量(信號燈)機制中的信號量可理解為交通信號燈,當我們看到“紅燈”,知道自己的方向不能走,是因為自己要走的路(共享資源)被另一方向的人流占有,當發(fā)現(xiàn)是“綠燈”時,則提醒自己可以走了。生活中我們是通過眼睛獲得自己“走”還是“停”的信號,但系統(tǒng)中的進程彼此不知道其它進程的存在,因此進程的“走”和“?！毙枰厥獾臋C制來協(xié)調(diào),這就是信號量機制(人的眼睛)的引入,其中P(S)相當于幫助進程判斷能不能“走”,V(S)用來幫助進程喚醒等待的其它進程(如果有的話)。

上述情景能夠幫助學(xué)生更好地理解信號量機制的定義,以及為什么使用信號量機制能夠描述進程同步問題,除此之外,如何利用信號量機制解決同步問題也是學(xué)習(xí)的難點。生活中的“同步”情景比比皆是。

情景1：爸爸為兒子和女兒切水果,使用一個盤子,一次只能放一種水果,兒子喜歡蘋果,女兒喜歡梨。偽碼如下：

Father進程：

P(S);

如果是蘋果,V(S1);否則,V(S2)

Son進程：

P(S1);

取走蘋果;

V(S);

daughter進程：

P(S2);

取走梨;

V(S);

情景2：運動會中的接力賽,典型的同步情景。第一人跑完將棒交到第二人手中,第二人才能能跑多快就跑多快,第二人受到第一人的制約(直接制約),后面的兩人也是這種關(guān)系。學(xué)生都有參加運動會或觀看運動會的經(jīng)歷,非常容易理解。

5 進程通信中的情景教學(xué)

進程通信簡單說就是進程彼此之間交換信息。生產(chǎn)者－消費者問題雖然是經(jīng)典的進程同步問題,但同時也是描述通信的一個過程。

在生產(chǎn)者－消費者問題中,生產(chǎn)者利用緩沖池與消費者通信,但學(xué)生對于緩沖池的引入不容易理解,為幫助學(xué)生理解,情景模擬如下：快遞員(生產(chǎn)者)要給你家(消費者)送快遞,但你家里暫時沒人,于是快遞員撬開你家的門,把快遞放在你家里,這樣可以嗎? 當然不可以。自己的家是私人空間,相當于系統(tǒng)為消費者分配的內(nèi)存,生產(chǎn)者是不能直接訪問的,因此引入了緩沖池這個共享區(qū)域,現(xiàn)實生活中快遞員可以把快件暫時放在快遞柜里(緩沖池),這樣既保障了安全,又實現(xiàn)了通信。

6 結(jié)束語

本文從進程與線程、處理機調(diào)度、進程同步、進程通信等幾個方面介紹了情景教學(xué)方式的使用,這些情景現(xiàn)實生活中隨處可見,學(xué)生經(jīng)常身臨其境,因此,理解相關(guān)的概念、原理和算法就變得更加簡單,也增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的樂趣,使枯燥的一門課變得生動活潑。