崔松健

摘要：該文通過一個小型運(yùn)動會實例，通過類比方法讓學(xué)生理解并掌握操作系統(tǒng)中與進(jìn)程相關(guān)的概念，以及如何使用信號量實現(xiàn)進(jìn)步的同步與互斥。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；計算機(jī)教學(xué)

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）05-0118-02

1 序言

操作系統(tǒng)是計算機(jī)專業(yè)的核心課程，操作系統(tǒng)的教學(xué)主要是讓學(xué)生理解并掌握操作系統(tǒng)的功能及實現(xiàn)原理，理論性很強(qiáng)，知識點(diǎn)多，教學(xué)難度大，學(xué)生不易掌握，特別是對于高職院校的學(xué)生。為了讓學(xué)生能很好地學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的理論知識，老師們進(jìn)行的了很多的探討與教學(xué)嘗試，下面就將我多年來在操作系統(tǒng)教中，對進(jìn)程同步與互斥這個教學(xué)難點(diǎn)的教學(xué)方法作一個簡單的論述。

2 相關(guān)概念的突破

教學(xué)時以小型體育運(yùn)動會實例來解釋相關(guān)的概念。

實例描述：一個在半天內(nèi)完成的小型體育運(yùn)動會。比賽項目有：100米，200米，4*100米接力。而這三個項目又分為預(yù)賽和決賽兩個階段進(jìn)行，預(yù)賽先于決賽進(jìn)行。因此總的比賽項目有：100米預(yù)賽，200米預(yù)賽，4*100米接力預(yù)賽，100米決賽，200米決賽，4*100米接力決賽六個子項目。因為運(yùn)動場地只有一塊，所以某一時刻只能有一項體育比賽可以進(jìn)行。某項比賽一旦開始，就必須全部比賽完成，但不同的比賽可以穿插進(jìn)行。

下面通過類比的方法解釋與進(jìn)程相關(guān)的概念。

1）進(jìn)程：具有一定獨(dú)立功能的程序關(guān)于某個數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動。

因為每一個項目都是可以獨(dú)立進(jìn)行的，所以可以將每一個項目看成是一個具有獨(dú)立功能的程序，而將每一項比賽看成是每一個項目在裁判、計時員等支持下的一次獨(dú)立運(yùn)行活動。因此六個項目的比賽過程可以看成六個進(jìn)程的運(yùn)行。

2）并發(fā)：同一個時間段內(nèi)幾個進(jìn)程都處于已經(jīng)開始運(yùn)行和運(yùn)行完畢之間，且這幾個進(jìn)程都是在同一個處理機(jī)上運(yùn)行，但在任一時刻，只能有一個進(jìn)程在處理機(jī)上運(yùn)行。我們就說這幾個進(jìn)程處于并發(fā)狀態(tài)。

運(yùn)動會的三個項目是交替進(jìn)行的，我們認(rèn)為這三個項目都處于進(jìn)行當(dāng)中，因為他們都沒有結(jié)束。這種狀態(tài)就稱之為并發(fā)狀態(tài)。因為運(yùn)動場地只有一個，所以同一時刻只能有一個項目在進(jìn)行當(dāng)中，我們就說比賽并行為1，若有兩個場地可以同時比賽，我們就說并行為2。

3）臨界資源：操作系統(tǒng)把一次僅允許一個進(jìn)程使用的資源稱為臨界資源。

由于競賽場地某一時刻只能進(jìn)行一場比賽，所以場地是臨界資源。

4）臨界區(qū)：一個進(jìn)程中訪問臨界資源的那段程序。

由于每場比賽都要使用場地，因此每場比賽都是臨界區(qū)。

5）互斥：是指多個進(jìn)程不能同時使用同一個資源。

由于比賽場地只能輪流使用而不能同時使用，所以使用場地的過程就稱為互斥過程。

6）同步：指多個進(jìn)程之間存在著某種時序關(guān)系，必須協(xié)同動作、相互配合。

4*100接力比賽是4個人協(xié)同完成的，每人跑一棒，而且是第一棒跑完才能跑第二棒，第二棒跑完才能跑第三棒，第三棒跑完才能跑第四棒。這種有嚴(yán)格時序關(guān)系的協(xié)同過程就稱為同步，四個人之間的先后關(guān)系就是同步關(guān)系。

運(yùn)動場地是一個封閉的空間，入口有一道門，要想進(jìn)入運(yùn)動場，必須獲得打開門的鑰匙，而鑰匙只有一把，所以一開始時的Value的初值為1，獲得鑰匙的運(yùn)動項目可以進(jìn)入運(yùn)動場比賽，而沒有獲得鑰匙的運(yùn)動項目則在門外排隊等待。

8）原語：通常由若干條指令組成，用來實現(xiàn)某個特定的操作。通過一段不可分割的或不可中斷的程序?qū)崿F(xiàn)其功能。

信號量只能通過P原語和V原語訪問。

P操作用于申請資源，value值減1，如果資源數(shù)量不夠，則進(jìn)程需要阻塞等待。

V操作用于釋放資源， value值加1，如果此時value<0，表示有其他進(jìn)程等待該資源，則喚醒。

當(dāng)value<0時，| value|表示等待隊列的進(jìn)程數(shù)。

拿到鑰匙，打開門，進(jìn)入場地這三個動作必須一次性完成，中間不可以被中止，這就是原語操作。

3 進(jìn)程互斥的實現(xiàn)

由于運(yùn)動場地是臨界資源，所以哪一個項目可以使用運(yùn)動場地進(jìn)行比賽是需要競爭的，那么如何保證進(jìn)入運(yùn)動場比賽的項目只能是一個呢？我們使用信號量來控制互斥地使用運(yùn)動場地。

信號量就是一把鑰匙，而且鑰匙只有一把，因此設(shè)信號量S的初值為1。

由于100米預(yù)賽，200米預(yù)賽和4*100接力預(yù)賽是可以并發(fā)進(jìn)行的，因此，我們設(shè)計三個并發(fā)程序控制使用運(yùn)動場地進(jìn)行比賽（臨界區(qū)）。而哪個項目能夠進(jìn)行（進(jìn)入臨界區(qū)），就看哪個項目獲得了運(yùn)動場地（臨界資源）的使用權(quán)，而對使用權(quán)的控制就是看誰能夠進(jìn)入運(yùn)動場地，最終則是誰能獲得入門的鑰匙（信號量），因此只要控制住鑰匙，就能實現(xiàn)互斥進(jìn)入。

結(jié)論：使用信號量實現(xiàn)互斥的方法是在臨界區(qū)前放置一個P原語操作，臨界區(qū)后面放置一個V原語操作。含義為：P原語申請鑰匙，如果成功則獲得資源（運(yùn)動場地），進(jìn)行比賽，比賽結(jié)束后，V原語操作，交出鑰匙（信號量），喚醒等待比賽的項目。

4 進(jìn)程同步的實現(xiàn)

進(jìn)程之間的關(guān)系除了競爭關(guān)系以外，可能還存在時間上的制約關(guān)系，這種關(guān)系就是同步關(guān)系。比如運(yùn)動會中，運(yùn)動項目之間就存在時序上的先后關(guān)系，100米預(yù)賽必須先于100米決賽之前進(jìn)行，而200米決賽則不能早于200米預(yù)賽之前進(jìn)行。4*100米接力賽中的四個人之間也存在著先后關(guān)系。那么如何通過信號量來實現(xiàn)這個同步關(guān)系呢？

我們以100米預(yù)賽和100米決賽之間的時序關(guān)系為例說明如何實現(xiàn)同步。

100米預(yù)賽和100米決賽為兩個并發(fā)程序，100米預(yù)賽早于100米決賽進(jìn)行。則可以將它們之間的時序關(guān)系通過有向圖來表示，圖1說明了100米預(yù)賽先于100米決賽進(jìn)行。

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說明：由于信號量初值為0，因此只有當(dāng)【100米預(yù)賽】并發(fā)程序執(zhí)行結(jié)束以后，s的值才能為1，也只有當(dāng)s的值為1后，【100米決賽】并發(fā)程序才能夠執(zhí)行，從而實現(xiàn)了兩個并發(fā)程序之間的時序關(guān)系。

綜上所述，我們總結(jié)出進(jìn)程同步中并發(fā)程序的書寫規(guī)則：

1）將問題中的所有有時序關(guān)系的并發(fā)程序找出，用有向圖畫出他們之間的時序關(guān)系；

2）有向圖中有幾個結(jié)點(diǎn)，則寫幾個并發(fā)程序；

3）有向圖中有幾個有向箭頭，則設(shè)置幾個信號量，同時將所有信號量的初值設(shè)為0；

4）對于有向圖中的每個結(jié)點(diǎn)，如果有一個出向箭頭，則在并發(fā)程序的后面加一個V操作；

5）對于有向圖中的每個結(jié)點(diǎn)，如果有一個入向箭頭，則在并發(fā)程序的前面加一個P操作。

舉例說明：如圖2所示的有向圖，請寫出所有進(jìn)程的并發(fā)程序。

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5 結(jié)論

通過以上的方法，學(xué)生很容易掌握和理解操作系統(tǒng)進(jìn)程的概念，進(jìn)程之間有關(guān)系，以及如何使用信號量來實現(xiàn)進(jìn)程之間的互斥與同步。