操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的探索

摘要：操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該為學(xué)生提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生能夠觸摸到真實(shí)的操作系統(tǒng)內(nèi)部，幫助學(xué)生理解抽象的操作系統(tǒng)原理和機(jī)制；使學(xué)生能夠親身體驗(yàn)操作系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用操作系統(tǒng)知識(shí)的能力。本文分析了操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)，闡述了具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目及其設(shè)計(jì)理念。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；實(shí)踐教學(xué)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5913 (2007) 20-0008-03

1引言

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課程，其教學(xué)目的使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)各種資源管理的原理和機(jī)制，建立起關(guān)于操作系統(tǒng)如何工作的理論知識(shí)基礎(chǔ)。但操作系統(tǒng)同時(shí)也是學(xué)生們認(rèn)為比較難學(xué)的專業(yè)課程之一。其原因有二：一是操作系統(tǒng)課程講述的是計(jì)算機(jī)資源管理的原理和機(jī)制，其中包含了許多抽象的概念和算法；二是操作系統(tǒng)作為最底層的核心軟件，深藏于“用戶界面”之下，學(xué)生們難以找到學(xué)習(xí)內(nèi)容的參照對(duì)象。因此，操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)作為教學(xué)輔助環(huán)節(jié)十分重要，它的作用在于通過(guò)動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生解決從抽象理論到具體對(duì)象的認(rèn)識(shí)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力。

與程序設(shè)計(jì)、編譯原理和數(shù)據(jù)庫(kù)等軟件課程的實(shí)踐教學(xué)相比，操作系統(tǒng)課程的實(shí)踐教學(xué)有其特殊的地方。前者可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型的應(yīng)用程序或簡(jiǎn)化的編譯器、數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)完成實(shí)踐教學(xué)，而后者不能這樣做。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)不僅與硬件平臺(tái)密切相關(guān)，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，即使讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡(jiǎn)單的操作系統(tǒng)也是不現(xiàn)實(shí)的。近年來(lái)，我們以開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)和WMware虛擬機(jī)作為實(shí)踐平臺(tái)，針對(duì)不同的教學(xué)對(duì)象和教學(xué)要求，精心設(shè)計(jì)了多種方式的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)上做了一些有益的探索。本文首先分析操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的目標(biāo)，然后說(shuō)明如何具體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)

我們認(rèn)為，操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)作為輔助教學(xué)環(huán)節(jié)，有兩個(gè)主要目標(biāo)。

(1) 幫助學(xué)生理解操作系統(tǒng)的基本概念、原理和機(jī)制

操作系統(tǒng)包含了許多抽象的基本概念如進(jìn)程、線程和虛存，也包含了復(fù)雜的資源管理算法和機(jī)制，如進(jìn)程調(diào)度和頁(yè)式存儲(chǔ)管理。這些知識(shí)對(duì)于本科學(xué)生而言是比較難以理解的，因?yàn)樗麄兤綍r(shí)使用的是操作系統(tǒng)的用戶界面，很少也很難窺視到操作系統(tǒng)的內(nèi)部。操作系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該讓學(xué)生了解一個(gè)真實(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，從而幫助學(xué)生更好地理解操作系統(tǒng)的基本概念、原理和機(jī)制。

我們采用開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)作為實(shí)踐教學(xué)的教材，指導(dǎo)學(xué)生閱讀和分析Linux的部分源碼，將學(xué)生帶入一個(gè)真實(shí)而復(fù)雜的操作系統(tǒng)內(nèi)部世界。在閱讀和分析源碼的過(guò)程中，學(xué)生能夠了解抽象的進(jìn)程和線程所對(duì)應(yīng)的具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，了解進(jìn)程調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并應(yīng)用所學(xué)的操作系統(tǒng)原理知識(shí)分析和討論Linux的調(diào)度策略。另外，我們要求學(xué)生在做每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)前自學(xué)Linux操作系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)，使學(xué)生清楚地看到操作系統(tǒng)的原理知識(shí)是如何體現(xiàn)在一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)中的。

(2) 培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用操作系統(tǒng)知識(shí)的能力

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心軟件，從事計(jì)算機(jī)行業(yè)的專業(yè)人員都需要操作系統(tǒng)的原理知識(shí)，但他們擔(dān)任的角色不同，面臨的問(wèn)題就不同，因而所具備的操作系統(tǒng)知識(shí)的應(yīng)用能力也不同。系統(tǒng)管理員需要根據(jù)操作系統(tǒng)知識(shí)和用戶的需求，合理地配置系統(tǒng)資源，需要及時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整資源管理策略，使系統(tǒng)性能達(dá)到最佳；系統(tǒng)程序員需要詳細(xì)了解操作系統(tǒng)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)、資源管理機(jī)制和功能模塊接口，為操作系統(tǒng)添加新功能或編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；應(yīng)用程序員則需要正確理解操作系統(tǒng)的功能和資源管理策略，編寫(xiě)出高效率且安全的應(yīng)用軟件。操作系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)必須考慮到上述不同能力培養(yǎng)的特點(diǎn)，以滿足學(xué)生未來(lái)任職需要。

我們以開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng)和WMware虛擬機(jī)作為實(shí)踐平臺(tái)，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從多個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用操作系統(tǒng)知識(shí)的能力。例如，學(xué)習(xí)使用Linux的proc文件系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)核運(yùn)行狀態(tài)、資源管理狀態(tài)和進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)查詢；學(xué)習(xí)Linux的系統(tǒng)調(diào)用機(jī)制和內(nèi)核模塊動(dòng)態(tài)加載機(jī)制，掌握為操作系統(tǒng)添加新功能的方法和過(guò)程；編寫(xiě)進(jìn)程通信應(yīng)用程序，掌握各種進(jìn)程通信、同步互斥機(jī)制的特點(diǎn)和使用方法。

3實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

我們?cè)谏鲜龅膶?shí)踐教學(xué)目標(biāo)的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，內(nèi)容涵蓋了操作系統(tǒng)的主要知識(shí)點(diǎn)，包括用戶界面、進(jìn)程通信、proc文件系統(tǒng)、系統(tǒng)調(diào)用機(jī)制、進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)核同步互斥機(jī)制、驅(qū)動(dòng)程序接口等。考慮到學(xué)生的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)背景，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的安排從簡(jiǎn)到難，從依靠指導(dǎo)到自主設(shè)計(jì)。除必做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外，還設(shè)計(jì)了選做的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為有能力的同學(xué)提供更多的學(xué)習(xí)空間。下面分別介紹我們?cè)O(shè)計(jì)的九個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中，前三個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是為應(yīng)用程序員和系統(tǒng)管理員設(shè)計(jì)的，使學(xué)生掌握如何使用操作系統(tǒng)的命令界面、進(jìn)程機(jī)制和系統(tǒng)性能管理工具；第4個(gè)實(shí)驗(yàn)安排學(xué)生閱讀和分析源碼，理解操作系統(tǒng)原理在實(shí)際系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程；后五個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是為系統(tǒng)程序員設(shè)計(jì)的，讓學(xué)生體驗(yàn)操作系統(tǒng)內(nèi)核編程的全過(guò)程。

(1)Linux命令界面及shell編程

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是學(xué)習(xí)使用操作系統(tǒng)的命令用戶界面。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是：了解和使用Linux的常用命令，包括如何使用聯(lián)機(jī)幫助手冊(cè)和管道線命令；學(xué)習(xí)使用命令程序語(yǔ)言shell進(jìn)行簡(jiǎn)單的編程，從而理解命令解釋程序的工作過(guò)程。由于學(xué)生平時(shí)使用的是windows的圖形用戶界面，面對(duì)Linux的命令界面感到很陌生。所以，我們先給學(xué)生一個(gè)shell例子程序，讓學(xué)生按照說(shuō)明步驟上機(jī)運(yùn)行該程序，然后要求學(xué)生參照此程序?qū)崿F(xiàn)一個(gè)應(yīng)用管道線的shell程序。

(2) 進(jìn)程間通信

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是加強(qiáng)學(xué)生對(duì)進(jìn)程概念的理解，使學(xué)生掌握不同的進(jìn)程通信和同步互斥機(jī)制的特點(diǎn)和使用方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是：設(shè)計(jì)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)父、子進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交換，可采用各種方法實(shí)現(xiàn)父子進(jìn)程之間的通信(共享區(qū)、文件、消息傳遞、管道文件)和同步互斥控制(信號(hào)量、信號(hào))。

(3) 使用proc文件系統(tǒng)

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是學(xué)習(xí)如何使用Linux的proc文件系統(tǒng)，對(duì)內(nèi)核運(yùn)行狀態(tài)、資源管理狀態(tài)和進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)查詢。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：先通過(guò)課堂講授讓學(xué)生了解proc文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、工作原理和組織結(jié)構(gòu)，然后要求學(xué)生利用proc文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明操作系統(tǒng)或進(jìn)程的某些特性。例如，利用/proc/stat中的數(shù)據(jù)顯示CPU的使用情況——系統(tǒng)利用率和用戶利用率；利用/proc/intr中的數(shù)據(jù)顯示內(nèi)存容量對(duì)缺頁(yè)異常次數(shù)的影響。

(4) 分析進(jìn)程調(diào)度算法和策略

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是幫助學(xué)生深入理解進(jìn)程調(diào)度過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生分析和研究問(wèn)題的能力。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是：閱讀和理解Linux的進(jìn)程調(diào)度函數(shù)schedule()、進(jìn)程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)task_struct等內(nèi)核源碼，分析和研究Linux的進(jìn)程調(diào)度算法和策略，寫(xiě)出研究論文。要求學(xué)生在論文中討論以下問(wèn)題：進(jìn)程調(diào)度隊(duì)列是如何組織的；如何實(shí)現(xiàn)三種調(diào)度類型(SCHED_FIFO， SCHED_RR， SCHED_OHTER)；進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)是如何定義和動(dòng)態(tài)變化的；如何決定時(shí)間片的大小以及它與優(yōu)先級(jí)的關(guān)系；對(duì)實(shí)時(shí)進(jìn)程和多CPU的支持；評(píng)價(jià)Linux的調(diào)度策略并提出改進(jìn)意見(jiàn)。

(5)Linux內(nèi)核編譯

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是學(xué)習(xí)如何生成新內(nèi)核，為后面進(jìn)行操作系統(tǒng)內(nèi)核編程的實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：學(xué)習(xí)如何下載和解壓源碼，了解Linux內(nèi)核源碼的組織結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)配置、編譯、安裝和啟動(dòng)Linux新內(nèi)核的全部過(guò)程。

(6) 添加系統(tǒng)調(diào)用

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生理解操作系統(tǒng)的重要機(jī)制——系統(tǒng)調(diào)用機(jī)制的工作過(guò)程，學(xué)習(xí)如何添加系統(tǒng)調(diào)用。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是：閱讀源碼文件，分析系統(tǒng)調(diào)用表等內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；實(shí)現(xiàn)新的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，添加新的系統(tǒng)調(diào)用，編譯和生成新內(nèi)核；編寫(xiě)應(yīng)用程序，驗(yàn)證新系統(tǒng)調(diào)用的功能。

(7) 加載內(nèi)核模塊

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)增加內(nèi)核功能的方法。內(nèi)核模塊動(dòng)態(tài)加載/卸載是操作系統(tǒng)的另一重要機(jī)制，它使得用戶不僅能動(dòng)態(tài)裁剪內(nèi)核功能，還能通過(guò)自己編寫(xiě)內(nèi)核模塊或使用第三方軟件來(lái)動(dòng)態(tài)增加內(nèi)核功能。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：首先通過(guò)課堂講授讓學(xué)生了解Linux模塊機(jī)制的工作原理、模塊的編程和編譯方法，然后要求學(xué)生采用內(nèi)核模塊編程方法，為proc文件系統(tǒng)添加一個(gè)新文件。在該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不僅要學(xué)習(xí)內(nèi)核模塊的編程、編譯、加載和卸載全過(guò)程，還需要查找資料和閱讀源碼，搞清楚proc文件系統(tǒng)中關(guān)于創(chuàng)建文件、讀/寫(xiě)文件和刪除文件的函數(shù)接口，以此鍛煉學(xué)生的自主動(dòng)手的能力。

(8) 實(shí)現(xiàn)同步事件原語(yǔ)

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是學(xué)習(xí)如何實(shí)現(xiàn)同步互斥機(jī)制。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是，實(shí)現(xiàn)一組同步事件原語(yǔ)：能夠使多個(gè)進(jìn)程阻塞在某個(gè)特定的事件上，直到另一個(gè)進(jìn)程產(chǎn)生該事件，從而喚醒所有在此事件上阻塞的進(jìn)程。這是一項(xiàng)綜合的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)者需要分析清楚同步事件原語(yǔ)的語(yǔ)義以及進(jìn)程同步過(guò)程中的所有細(xì)節(jié)問(wèn)題，正確設(shè)計(jì)同步事件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)調(diào)用原型，分析Linux源碼中關(guān)于進(jìn)程等待隊(duì)列和內(nèi)核信號(hào)量的相關(guān)函數(shù)，并利用這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)同步事件原語(yǔ)的系統(tǒng)調(diào)用。然后，采用內(nèi)核模塊方法將新的系統(tǒng)調(diào)用添加到Linux內(nèi)核中，并通過(guò)應(yīng)用程序驗(yàn)證其正確性。

(9) 實(shí)現(xiàn)虛擬管道設(shè)備

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是學(xué)習(xí)如何編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是：使用內(nèi)存區(qū)(例如2048字節(jié))實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬的字符管道設(shè)備：允許多個(gè)進(jìn)程向管道寫(xiě)入數(shù)據(jù)，也允許多個(gè)進(jìn)程從管道讀出數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的寫(xiě)入順序與讀出順序是一致的。這也是一項(xiàng)綜合的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)者需要分析研究讀/寫(xiě)管道設(shè)備過(guò)程中的同步互斥問(wèn)題，利用內(nèi)核信號(hào)量函數(shù)和進(jìn)程阻塞/喚醒函數(shù)解決同步互斥問(wèn)題；分析研究Linux的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口，學(xué)習(xí)如何編寫(xiě)和注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序的接口函數(shù)以及如何建立Linux設(shè)備文件。然后，采用內(nèi)核模塊方法將新功能添加到Linux內(nèi)核中，并通過(guò)應(yīng)用程序驗(yàn)證其正確性。

4結(jié)束語(yǔ)

操作系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)應(yīng)該為學(xué)生提供一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)生能夠觸摸真實(shí)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，從而更好地理解操作系統(tǒng)的基本概念、原理和機(jī)制；使學(xué)生能夠親身體驗(yàn)操作系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用操作系統(tǒng)知識(shí)的能力。我們?cè)诓僮飨到y(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中做了一些有益的工作，教學(xué)效果也不錯(cuò)，但還存在一些問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究和探索。例如，如何與課堂教學(xué)互補(bǔ)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的興趣；如何通過(guò)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將操作系統(tǒng)中更多的內(nèi)核機(jī)制(中斷機(jī)制、內(nèi)存管理機(jī)制等)呈現(xiàn)給學(xué)生；如何設(shè)計(jì)更為實(shí)用的、學(xué)生自主性更強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，等等。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅宇. 操作系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 陳莉君. 深入理解Linux內(nèi)核[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[3] 李善平. 邊學(xué)邊干—Linux內(nèi)核指導(dǎo)[M]. 浙江大學(xué)出版社，2002.

作者簡(jiǎn)介

鄧勝蘭(1961-)，國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院研究員，曾經(jīng)多年從事巨型機(jī)操作系統(tǒng)的研制工作，目前主要從事操作系統(tǒng)的教學(xué)工作。

寧洪(1961-)，國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授，長(zhǎng)期從事軟件工程和數(shù)據(jù)庫(kù)的教學(xué)科研工作，曾榮獲全軍優(yōu)秀教師稱號(hào)。