操作系統(tǒng)課程核心實(shí)驗(yàn)演示平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高永強(qiáng)，李振坤

（內(nèi)蒙古大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特 010010）

0 引言

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的核心課程，在課程體系中占有重要地位。由于課程內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)軟件、硬件等方面知識，理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象，僅采用課堂講授理論知識的方式，難以使學(xué)生深入理解課程內(nèi)容，容易造成教學(xué)效果不佳，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不理想的狀況［1］。

為此，國內(nèi)外學(xué)者在教學(xué)過程中加入實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠更加直觀地了解所學(xué)知識的應(yīng)用場景，以提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，進(jìn)而促使學(xué)生深入掌握操作系統(tǒng)的課程內(nèi)容［2-4］。

然而，現(xiàn)階段實(shí)踐教學(xué)課程設(shè)計(jì)仍然較為陳舊、缺乏創(chuàng)新，無法達(dá)到教學(xué)相長的教學(xué)效果。因此，本文設(shè)計(jì)一款核心實(shí)驗(yàn)演示平臺，支持可視化展示多種調(diào)度算法的詳細(xì)運(yùn)行過程，并能演示銀行家算法及判斷系統(tǒng)安全狀態(tài)。

1 教學(xué)現(xiàn)狀及相關(guān)研究

1.1 課程特點(diǎn)

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)本科階段的核心課程，主要內(nèi)容包括操作系統(tǒng)的基本原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，課程特點(diǎn)具體如下：

（1）內(nèi)容多、難度大。課程涉及的基礎(chǔ)概念多，內(nèi)容涉及面廣［5］，涵蓋進(jìn)程與線程管理、處理機(jī)調(diào)度、同步互斥、操作系統(tǒng)的接口、內(nèi)存管理、I/O 管理、文件系統(tǒng)等方面。學(xué)生需要學(xué)習(xí)多門先導(dǎo)課程，課程難度大。

（2）內(nèi)容抽象。課程知識涉及的理論、概念較多，例如微內(nèi)核、同步互斥等，學(xué)生通常難以深入理解所學(xué)知識，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果較差。

（3）實(shí)踐性強(qiáng)。課程中的知識點(diǎn)通常與實(shí)踐相互關(guān)聯(lián)，但現(xiàn)階段所學(xué)的課程內(nèi)容在一定程度上與實(shí)際需求相互脫離，導(dǎo)致學(xué)生無法利用所學(xué)知識解決實(shí)際問題，實(shí)踐動(dòng)手能力較差。

1.2 教學(xué)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)教學(xué)方法缺乏除課堂教學(xué)及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)外的教學(xué)嘗試，教師僅通過幻燈片進(jìn)行知識講解，缺乏相關(guān)知識點(diǎn)尤其是核心算法的動(dòng)態(tài)演示，學(xué)生只能在紙上進(jìn)行手動(dòng)演算，效果較差。

為此，國內(nèi)許多學(xué)者對操作系統(tǒng)課程的教學(xué)研究工作進(jìn)行探索。例如，朱小軍等［6］和譚舜泉等［7］提出將開源教學(xué)操作系統(tǒng)xv6 引入課程實(shí)踐教學(xué)。李濤等［8］提出利用時(shí)序圖比較順序拷貝文件與并發(fā)拷貝文件的區(qū)別。張銳敏等［9］以培養(yǎng)學(xué)生能力為目標(biāo)，對課程進(jìn)行混合式教學(xué)改革。文艷軍等［10］提出一種基于內(nèi)核調(diào)試和抽象精化思想的實(shí)驗(yàn)。雖然，上述研究均在實(shí)踐教學(xué)中引入新的方法及輔助軟件，但在降低學(xué)生學(xué)習(xí)課程核心算法的難度方面，效果仍然較差。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)一款操作系統(tǒng)核心實(shí)驗(yàn)演示平臺，創(chuàng)新性地將操作系統(tǒng)的核心算法進(jìn)行可視化展示，使學(xué)生能夠直觀了解所學(xué)算法的整個(gè)運(yùn)行過程，在一定程度上降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，使學(xué)生更容易掌握算法的內(nèi)在思想。

2 平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 功能設(shè)計(jì)

平臺在Windows 環(huán)境下，采用Java JDK、Swing、Eclipse進(jìn)行開發(fā)，主要包含進(jìn)程參數(shù)設(shè)置、調(diào)度算法參數(shù)設(shè)置、調(diào)度算法演示及銀行家算法4 個(gè)部分。其中，進(jìn)程參數(shù)設(shè)置模塊功能為添加或刪除進(jìn)程，設(shè)置進(jìn)程的到達(dá)時(shí)間等參數(shù)；調(diào)度算法參數(shù)設(shè)置模塊功能為設(shè)置作業(yè)調(diào)度與進(jìn)程調(diào)度分別使用的算法，設(shè)置內(nèi)存最大作業(yè)數(shù)、時(shí)間片大小等參數(shù)；調(diào)度算法演示模塊為整個(gè)軟件的核心模塊，該模塊功能包括控制運(yùn)行過程、運(yùn)行信息展示及進(jìn)程信息展示［11-12］；銀行家算法模塊的功能包括數(shù)據(jù)輸入、安全性檢測、資源請求及執(zhí)行結(jié)果展示。具體功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

Fig.1 Platform function structure圖1 平臺功能結(jié)構(gòu)

2.2 進(jìn)程參數(shù)設(shè)置模塊

通過該模塊對序號、到達(dá)時(shí)間、服務(wù)時(shí)間及優(yōu)先級進(jìn)行初始化設(shè)置。其中，進(jìn)程序號由平臺自動(dòng)生成，其它參數(shù)則需要用戶手動(dòng)輸入。此外，用戶可手動(dòng)刪除多余進(jìn)程。具體參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

Fig.2 Process parameter setting圖2 進(jìn)程參數(shù)設(shè)置

2.3 調(diào)度算法設(shè)置模塊

通過該模塊初始化調(diào)度算法的設(shè)置。調(diào)度算法主要分為作業(yè)調(diào)度與進(jìn)程調(diào)度。

2.3.1 作業(yè)調(diào)度算法

作業(yè)調(diào)度又稱為高級調(diào)度，相較于進(jìn)程調(diào)度的頻率更低，主要將位于外存后備隊(duì)列中的某些作業(yè)調(diào)入內(nèi)存。

平臺現(xiàn)階段共支持5 種作業(yè)調(diào)度算法，分別為先來先服務(wù)（FCFS）、短作業(yè)優(yōu)先（SJF）、靜態(tài)優(yōu)先級（HPF）、動(dòng)態(tài)優(yōu)先級算法（DPF）及高響應(yīng)比優(yōu)先算法（HRN）。其中，F(xiàn)CFS 按照作業(yè)到達(dá)的先后次序進(jìn)入內(nèi)存隊(duì)列，由于該算法僅考慮作業(yè)到達(dá)的次序，忽視作業(yè)要求服務(wù)時(shí)間的長短，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)平均周轉(zhuǎn)時(shí)間較長；SJF 按照要求服務(wù)時(shí)間更短的作業(yè)優(yōu)先進(jìn)入內(nèi)存的原則進(jìn)行內(nèi)存分配，優(yōu)點(diǎn)為短作業(yè)能夠更早完成，但會(huì)導(dǎo)致服務(wù)時(shí)間較長的進(jìn)程長時(shí)間得不到調(diào)度，從而產(chǎn)生“饑餓”現(xiàn)象；HPF 算法在初始狀態(tài)為每個(gè)作業(yè)預(yù)先設(shè)置優(yōu)先級，且優(yōu)先級將不會(huì)發(fā)生變化，平臺將優(yōu)先調(diào)度優(yōu)先級更高的作業(yè)；DPF 算法同樣在初始狀態(tài)為每個(gè)作業(yè)預(yù)先設(shè)置優(yōu)先級，但優(yōu)先級會(huì)隨著進(jìn)入就緒序列的時(shí)間增加而上升，從而有效避免HPF 中優(yōu)先級較低的作業(yè)發(fā)生“饑餓”現(xiàn)象，兼顧了作業(yè)的等待時(shí)間與運(yùn)行時(shí)間，既能保證短作業(yè)優(yōu)先運(yùn)行，又能控制長作業(yè)的等待時(shí)間，有效提高系統(tǒng)調(diào)度性能。此外，用戶需要手動(dòng)設(shè)置內(nèi)存最大作業(yè)數(shù)，以確定內(nèi)存中的最大進(jìn)程隊(duì)列數(shù)量。

2.3.2 進(jìn)程調(diào)度算法

進(jìn)程調(diào)度又稱為低級調(diào)度，調(diào)度頻率較高，主要用于選取位于內(nèi)存就緒隊(duì)列中的某些進(jìn)程，并為其分配處理機(jī)。

平臺現(xiàn)階段支持6 種進(jìn)程調(diào)度算法，分別為先來先服務(wù)（FCFS）、短進(jìn)程優(yōu)先（SPF）、靜態(tài)優(yōu)先級（HPF）、動(dòng)態(tài)優(yōu)先級算法（DPF）、高響應(yīng)比優(yōu)先算法（HRN）及時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法（RR）。其中，前3 種算法與作業(yè)調(diào)度算法相似；DPF 算法在初始狀態(tài)為每個(gè)進(jìn)程預(yù)先設(shè)置優(yōu)先級，若進(jìn)程處于就緒隊(duì)列中，優(yōu)先級會(huì)隨等待時(shí)間增加而提升，該算法兼顧進(jìn)程的優(yōu)先級與等待時(shí)間，既避免靜態(tài)優(yōu)先級中優(yōu)先級較低的作業(yè)發(fā)生“饑餓”現(xiàn)象，又能防止進(jìn)程長時(shí)間占用處理機(jī)；HRN 算法則兼顧進(jìn)程長短及等待時(shí)間，避免進(jìn)程長時(shí)間得不到調(diào)度的情況；RR 調(diào)度算法屬于搶占式調(diào)度算法，該算法通過設(shè)置時(shí)間片，既考慮進(jìn)程的先后順序，又避免進(jìn)程長時(shí)間占用處理機(jī)。在平臺中，用戶可手動(dòng)設(shè)置時(shí)間片大小。

上述5 種算法中，F(xiàn)CFS 和RR 無需用戶設(shè)置是否為搶占模式，SPF、DPF 及HRN 可設(shè)置為搶占模式。此外，若僅演示進(jìn)程調(diào)度的過程，用戶只需將內(nèi)存最大作業(yè)數(shù)設(shè)置為大于所有進(jìn)程數(shù)量［13-14］。調(diào)度算法設(shè)置如圖3所示。

Fig.3 Scheduling algorithm settings圖3 調(diào)度算法設(shè)置

2.4 調(diào)度算法演示模塊

該模塊展示調(diào)度算法的運(yùn)行過程，界面中所有數(shù)據(jù)都會(huì)實(shí)時(shí)更新，以秒為計(jì)時(shí)單位，調(diào)度算法演示如圖4 所示。其中，界面主要分為以下6個(gè)模塊：

（1）界面左上部分為初始進(jìn)程隊(duì)列展示，用戶可通過表格查看所有進(jìn)程的初始參數(shù)。

（2）界面中部上側(cè)為用戶設(shè)置的調(diào)度算法及預(yù)設(shè)參數(shù)。

（3）界面右上部分為運(yùn)行控制單元，用戶通過選擇不同的運(yùn)行模式控制該單元調(diào)度算法的運(yùn)行。運(yùn)行模式包括單步運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行，單步運(yùn)行的單位為秒。此外，在連續(xù)運(yùn)行過程中用戶可隨時(shí)暫停與重置系統(tǒng)。

（4）界面左下部分為外存及內(nèi)存隊(duì)列，分別展示當(dāng)前時(shí)刻外存和內(nèi)存中的進(jìn)程。

（5）界面中部下側(cè)為進(jìn)程狀態(tài)展示，具體包括每個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行進(jìn)度、等待時(shí)間、剩余時(shí)間、周轉(zhuǎn)時(shí)間及響應(yīng)比等數(shù)據(jù)［15］。

（6）界面右下部分顯示當(dāng)前運(yùn)行時(shí)刻及運(yùn)行狀態(tài)的具體信息描述。

2.5 銀行家算法演示模塊

模塊主要參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)輸入及操作執(zhí)行3 部分構(gòu)成。其中，參數(shù)設(shè)置部分用戶自主設(shè)置資源種類、每種資源的數(shù)量及進(jìn)程數(shù)量；數(shù)據(jù)輸入部分用戶進(jìn)行Max、Allocation、Need 矩陣數(shù)據(jù)初始化；操作執(zhí)行部分則進(jìn)行系統(tǒng)的安全性檢測或通過輸入相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行資源請求［16］。界面右側(cè)的文本框中會(huì)反饋執(zhí)行結(jié)果的具體信息描述。平臺演示銀行家算法如圖5所示。

Fig.5 Banker algorithm圖5 平臺演示銀行家算法

3 平臺評估

為了評估核心實(shí)驗(yàn)演示平臺的有效性，將平臺應(yīng)用于內(nèi)蒙古大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院的本科操作系統(tǒng)課程。

通過比較學(xué)生在兩個(gè)學(xué)年中的考試和實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)以評估平臺的有效性［17］。其中，第一學(xué)年使用傳統(tǒng)教學(xué)方法進(jìn)行教學(xué)；在第二學(xué)年使用平臺在課堂上演示進(jìn)程調(diào)度及銀行家算法，并讓學(xué)生自行使用平臺學(xué)習(xí)相關(guān)課程知識。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于內(nèi)蒙古大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院兩個(gè)班級共106 名學(xué)生［18-19］，考試成績見圖6（彩圖掃OSID 可見，下同）。

Fig.6 Distribution of examination scores圖6 考試成績分布

由圖6 可見，使用核心實(shí)驗(yàn)演示平臺后得分在60 分以下及60-70 分區(qū)間的人數(shù)有所降低，而70-80 分和80-90分區(qū)間的人數(shù)明顯上升，90-100 分區(qū)間的人數(shù)未發(fā)生變化。學(xué)生平均得分由71.3 分提高到了80.2 分，證實(shí)平臺教學(xué)能夠在一定程度上提升學(xué)生對核心算法的掌握能力。70 分及以下的學(xué)生數(shù)量顯著降低，證明平臺教學(xué)對低分段學(xué)生的提升更大。接下來，比較兩個(gè)班學(xué)生在兩個(gè)學(xué)年中的實(shí)驗(yàn)完成情況，如圖7所示。

Fig.7 Experiment completion圖7 實(shí)驗(yàn)完成情況

由圖7 可見，“未完成任務(wù)”“基本完成任務(wù)”“完成任務(wù)”這3 種完成情況的人數(shù)都有所降低，而“完成額外任務(wù)”的人數(shù)顯著增加［20］，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成情況具有顯著改善，證明現(xiàn)階段學(xué)生對算法的理解提升較大。此外，為了進(jìn)一步完善平臺的功能，向第二學(xué)年的學(xué)生收集了對平臺的改進(jìn)意見，如圖8所示。

Fig.8 Improvement suggestions圖8 改進(jìn)意見

由圖8 可見，被提及最多的是希望平臺能夠?qū)崿F(xiàn)更多種類的算法，存在17%的學(xué)生提出應(yīng)該美化平臺界面，25%的學(xué)生認(rèn)為增加算法的回溯功能十分必要。

4 結(jié)論

本文展示核心實(shí)驗(yàn)演示平臺的詳細(xì)信息，該平臺以可視化和交互式方式展示作業(yè)調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度和銀行家算法的實(shí)驗(yàn)過程，使學(xué)生能夠直觀、深入了解所學(xué)算法的相關(guān)概念。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，平臺能夠有效提高操作系統(tǒng)課程的教學(xué)效果，適合作業(yè)調(diào)度、進(jìn)程調(diào)度及銀行家算法的輔助教學(xué)。比較兩學(xué)年中學(xué)生的考試分?jǐn)?shù)及核心實(shí)驗(yàn)的完成情況，結(jié)果顯示學(xué)生在考試中算法部分的平均得分由71.3 分提高到80.2 分，得分為0-70 分的學(xué)生人數(shù)降低50%，完成實(shí)驗(yàn)及額外實(shí)驗(yàn)的學(xué)生人數(shù)顯著提升。

此外，為進(jìn)一步完善平臺功能，計(jì)劃根據(jù)學(xué)生反饋美化平臺頁面、增加算法回溯功能、開發(fā)移動(dòng)端版本、涵蓋同步互斥、頁面置換等內(nèi)容。