李佳靜 徐慧 朱紅

摘 要：計算機操作系統(tǒng)原理課程是計算機專業(yè)的核心課程，其中“進程管理”部分關(guān)于如何正確實現(xiàn)進程互斥和同步方法一直是教學(xué)中的重點和難點。在對于進程的同步和互斥問題中，對加鎖法采用了啟發(fā)式教學(xué)，從時間相關(guān)的錯誤、不公平問題、效率問題和表示能力問題等幾個方面層層深入，讓學(xué)生了解到加鎖算法在實際應(yīng)用中的不足之處。進一步引導(dǎo)學(xué)生思考信號量機制引入的必要性和先進性，對于幫助學(xué)生理解和掌握操作系統(tǒng)的進程管理機制起到了良好效果。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)原理 啟發(fā)式教學(xué) 加鎖法 信號量

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0122-02

操作系統(tǒng)是當(dāng)代計算機軟件系統(tǒng)的核心，是計算機系統(tǒng)中的核心和基石，它管理和控制著計算機系統(tǒng)中的軟、硬件資源高效工作，可以說操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)的靈魂。操作系統(tǒng)課程主要學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的工作原理和工作方式，是計算機專業(yè)的核心課程， 也是進行系統(tǒng)軟件開發(fā)的理論基礎(chǔ)。

在“計算機操作系統(tǒng)原理”課程中，以操作系統(tǒng)的進程管理、處理機管理、內(nèi)存管理、文件管理和設(shè)備管理作為主線進行組織。其中操作系統(tǒng)的進程管理，是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要功能，也是之后處理機管理、內(nèi)存管理等章節(jié)的基礎(chǔ)，同時更是后續(xù)并行計算等重要課程的前提。并發(fā)系統(tǒng)中諸進程由于資源共享、進程合作，而產(chǎn)生進程之間的相互制約，操作系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)資源的利用率，保證運行結(jié)果的可再現(xiàn)性，采用了信號量機制。因此，對于信號量機制的理解是學(xué)習(xí)進程管理中的關(guān)鍵。為了幫助學(xué)生對信號量機制的必要性和先進性的理解和掌握，在教學(xué)中采用對比分析的啟發(fā)式教學(xué)，對加鎖法進行了條分縷析，將加鎖法和信號量法進行了深入對比，取得了良好效果。

下面給出關(guān)于加鎖法的啟發(fā)式教學(xué)中的關(guān)鍵問題的解決過程。

1 加鎖法啟發(fā)式教學(xué)

1.1 概念準(zhǔn)備

加鎖法的定義：對臨界區(qū)加鎖以實現(xiàn)互斥，在使用之前為了防止別的進程進入，設(shè)置關(guān)鎖；若使用完后退出臨界區(qū)時，設(shè)置開鎖，這樣其他用戶就可以使用了。

加鎖法引入的時機：給出時間相關(guān)的錯誤和臨界區(qū)這兩種概念，以及臨界區(qū)使用的四個基本準(zhǔn)則之后。

1.2 時間相關(guān)的錯誤

問題提出：在表1中存在P1和P2兩個進程。P1和P2分別在t1和t2時刻獲得CPU并測試鎖，t3和t4時刻P1和P2設(shè)置鎖。表1說明加鎖法可能導(dǎo)致兩個進程P1和P2同時進入臨界區(qū)。該表格說明了，加鎖方法沒能保證臨界區(qū)使用中“忙則等待”的這條準(zhǔn)則。

啟發(fā)式提問：為什么會造成這種情況？

啟發(fā)式思考：測試和設(shè)置的過程不是原子過程，中間可以被其他進程打斷。

啟發(fā)式解決方案：測試與設(shè)置指令TS（test and set），其讀寫操作由一條指令完成，因而保證讀操作與寫操作不被打斷。

1.3 不公平問題

問題提出：表2中進程P1在t0時刻進入臨界區(qū)，t1時刻退出臨界區(qū)，t2時刻再次進入臨界區(qū)，而進程P2在t2時刻沒有獲得CPU，無法正確判斷臨界區(qū)的狀態(tài)，從而不能進入臨界區(qū)。表2說明加鎖法可能導(dǎo)致進程P2一直無法獲得臨界區(qū)，處于饑餓狀態(tài)。違反了臨界區(qū)使用原則中的“等則有限”的原則。

啟發(fā)性提問：引起不公平現(xiàn)象的原因是什么？

啟發(fā)式思考：因為每個進程能否進入臨界區(qū)依靠自己的測試判斷，進程調(diào)用lock過程去測試相應(yīng)的鎖定位，沒有獲得執(zhí)行機會的進程無法（正確地）判斷，因此出現(xiàn)不公平現(xiàn)象。

啟發(fā)式解決方案：由一個更高權(quán)限的進程來進行資源的測試和分配。

1.4 效率問題

問題提出：對于加鎖方法，循環(huán)測試鎖定位將損耗較多的CPU計算時間，如果一組并發(fā)進程的進程數(shù)較多，且由于每個進程在申請進入臨界區(qū)時都得對鎖定位進行測試，這種系統(tǒng)資源的開銷很大。

啟發(fā)式思考：如何將CPU從循環(huán)測試中解放出來。

啟發(fā)式解決方案：參考火車調(diào)度中的信號機制。

1.5 表示能力問題

問題提出：加鎖方法能表示幾種狀態(tài)？如何表示有多少個進程在等待該資源？在“開”鎖之后如何調(diào)度這些等待進程？

啟發(fā)式思考：如果表示多種狀態(tài)？

啟發(fā)式解決方案：參考圖書館中預(yù)約圖書的算法。

2 結(jié)語

在教學(xué)中，結(jié)合圖表通過對加鎖法中以上幾個關(guān)鍵問題進行深入分析，對于每一個關(guān)鍵問題都首先給出了現(xiàn)象，結(jié)合臨界區(qū)的使用準(zhǔn)則提出在加鎖法可能存在的問題，啟發(fā)學(xué)生思考并給出解決方案。在這個過程中，學(xué)生們理解了由進程自身來完成加鎖和解鎖，是一種看上去直觀簡單，但是在實現(xiàn)中由于效率、表示能力以及并發(fā)環(huán)境下間斷性和失去具有封閉性等原因，而不可行的方法。進一步，引導(dǎo)學(xué)生參考生活中常見的管理算法，設(shè)計一種更合理、更有效的進程互斥和同步的管理機制。這為之后信號量機制的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 劉洪波，張儉鴿.啟發(fā)式教學(xué)在操作系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用[J].時代教育，2011（9）：199.

[2] 李景峰，劉偉，郝耀輝，周會娟。操作系統(tǒng)課程的啟發(fā)式教學(xué)研究與探討[J].計算機教育，2010（8）：87-90.

[3] 馮麗萍，焦莉娟.基于啟發(fā)式的“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)改革探討[J].福建電腦，2015（5）：202.

[4] 時華.”啟發(fā)式教學(xué)”在計算機操作系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技信息，2009（29），512.

[5] 李華，高文宇.計算機操作系統(tǒng)啟發(fā)式教學(xué)研究[J].計算機教育，2013（3）：62-65.

[6] 帖軍，張寶哲.以負載均衡和數(shù)據(jù)緩存為例談操作系統(tǒng)啟發(fā)式教學(xué)[J].現(xiàn)代計算機（專業(yè)版），2011（30）：18-20.