李佳靜 徐慧 朱紅

摘 要：計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程，其中“進(jìn)程管理”部分關(guān)于如何正確實(shí)現(xiàn)進(jìn)程互斥和同步方法一直是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在對(duì)于進(jìn)程的同步和互斥問題中，對(duì)加鎖法采用了啟發(fā)式教學(xué)，從時(shí)間相關(guān)的錯(cuò)誤、不公平問題、效率問題和表示能力問題等幾個(gè)方面層層深入，讓學(xué)生了解到加鎖算法在實(shí)際應(yīng)用中的不足之處。進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考信號(hào)量機(jī)制引入的必要性和先進(jìn)性，對(duì)于幫助學(xué)生理解和掌握操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理機(jī)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(hào)量

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（a）-0122-02

操作系統(tǒng)是當(dāng)代計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的核心，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的核心和基石，它管理和控制著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的軟、硬件資源高效工作，可以說操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程， 也是進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)的理論基礎(chǔ)。

在“計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)原理”課程中，以操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理、處理機(jī)管理、內(nèi)存管理、文件管理和設(shè)備管理作為主線進(jìn)行組織。其中操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理，是現(xiàn)代操作系統(tǒng)的重要功能，也是之后處理機(jī)管理、內(nèi)存管理等章節(jié)的基礎(chǔ)，同時(shí)更是后續(xù)并行計(jì)算等重要課程的前提。并發(fā)系統(tǒng)中諸進(jìn)程由于資源共享、進(jìn)程合作，而產(chǎn)生進(jìn)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(yùn)行結(jié)果的可再現(xiàn)性，采用了信號(hào)量機(jī)制。因此，對(duì)于信號(hào)量機(jī)制的理解是學(xué)習(xí)進(jìn)程管理中的關(guān)鍵。為了幫助學(xué)生對(duì)信號(hào)量機(jī)制的必要性和先進(jìn)性的理解和掌握，在教學(xué)中采用對(duì)比分析的啟發(fā)式教學(xué)，對(duì)加鎖法進(jìn)行了條分縷析，將加鎖法和信號(hào)量法進(jìn)行了深入對(duì)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(duì)臨界區(qū)加鎖以實(shí)現(xiàn)互斥，在使用之前為了防止別的進(jìn)程進(jìn)入，設(shè)置關(guān)鎖；若使用完后退出臨界區(qū)時(shí)，設(shè)置開鎖，這樣其他用戶就可以使用了。

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

1.2 時(shí)間相關(guān)的錯(cuò)誤

問題提出：在表1中存在P1和P2兩個(gè)進(jìn)程。P1和P2分別在t1和t2時(shí)刻獲得CPU并測(cè)試鎖，t3和t4時(shí)刻P1和P2設(shè)置鎖。表1說明加鎖法可能導(dǎo)致兩個(gè)進(jìn)程P1和P2同時(shí)進(jìn)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(huì)造成這種情況？

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

啟發(fā)式解決方案：測(cè)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(jìn)程P1在t0時(shí)刻進(jìn)入臨界區(qū)，t1時(shí)刻退出臨界區(qū)，t2時(shí)刻再次進(jìn)入臨界區(qū)，而進(jìn)程P2在t2時(shí)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(jìn)入臨界區(qū)。表2說明加鎖法可能導(dǎo)致進(jìn)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?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程能否進(jìn)入臨界區(qū)依靠自己的測(cè)試判斷，進(jìn)程調(diào)用lock過程去測(cè)試相應(yīng)的鎖定位，沒有獲得執(zhí)行機(jī)會(huì)的進(jìn)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(gè)更高權(quán)限的進(jìn)程來進(jìn)行資源的測(cè)試和分配。

1.4 效率問題

問題提出：對(duì)于加鎖方法，循環(huán)測(cè)試鎖定位將損耗較多的CPU計(jì)算時(shí)間，如果一組并發(fā)進(jìn)程的進(jìn)程數(shù)較多，且由于每個(gè)進(jìn)程在申請(qǐng)進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)都得對(duì)鎖定位進(jìn)行測(cè)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(cè)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(hào)機(jī)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(gè)進(jìn)程在等待該資源？在“開”鎖之后如何調(diào)度這些等待進(jìn)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(duì)加鎖法中以上幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行深入分析，對(duì)于每一個(gè)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(gè)過程中，學(xué)生們理解了由進(jìn)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(shí)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(jìn)一步，引導(dǎo)學(xué)生參考生活中常見的管理算法，設(shè)計(jì)一種更合理、更有效的進(jìn)程互斥和同步的管理機(jī)制。這為之后信號(hào)量機(jī)制的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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