《操作系統原理》課程教學中結構思維的建立

葉承瓊+袁書萍

[摘要]《操作系統原理》的課程屬于當前階段我國高校之中本科階段的重要課程之一，主要被應用在大型計算機專業的相關軟件結構研究之中。在開展教學工作的過程中，需要進一步強化結構性思維方式，并非是側重局部性能及算法。充分結合實際操作的情況，形成對應的操作系統原理課程，并應當更加看重思維過程的充分培養。通過借助系統操作剖析的方式與學生之家相互影響，促使學生可以更好地了解操作系統原理。

[關鍵詞]操作系統原理；教學過程；結構思維

作為計算機類課程之中的核心與關鍵，《操作系統原理》的作用巨大，在培養學生實踐性以及實用性效果上作用明顯。學生多認為這門課程相對比較容易掌握，主要是對算法內容的學習，例如虛席進程調度算法、死鎖避免算法等內容。這種思維方式的形成集中體現出計算機教學之中廣泛表現出來的問題，也就是課程彼此相互孤立，課程之中各章節方面也存在獨立性問題。學生無法通過學習形成系統結構思維。實操階段缺少系統性思維能力將會造成學生無法通過該學習，形成大型軟件方面的系統構建能力。課程體系實際操作過程中，需要被安排在一定的程序設計以及數據設計結構之中，屬于當前針對計算機專業方面的重要基礎課程。計算機專業系統結構思維能力的培養開始受到國內教育領域的重視，一些具備條件的學生都已經建立了課程系統，本研究基于此基礎，從多角度探究操作系統課程方面的相關問題，希望能夠對未來技術與教育發展起到促進作用。

一、結構的含義

系統主要是指操作系統，也就是一個大型的系統結構，其中通過各項功能單元彼此之間形成關聯，相互依賴，并最終產生特定功能。結構，主要是指系統之中所有要素彼此之間從時間、空間等方面形成的一種排列與組合。相對于結構，系統之中內外延屬于系統對外形成的功能，包括操作系統的服務提供者方面的內容。針對大型軟件類型來看，結構的優質與否直接決定了軟件是否具有良好屬性，因此十分關鍵。

二、操作系統結構

操作系統結構屬于實現操作系統相關原理理論知識教學之中的關鍵，并貫穿于課程的始終。如需要有效識別課程，則應當針對結構內容進行學習，以此更好的優化學生認知能力與效率。

（一）操作系統整體結構分析

操作系統結構問題的分析，需要硬件、操作系統以及應用程序等幾個方面出發。基于靜態角度分析，計算機系統主要是不同物理設備以及傳輸速度各異的硬件與資源管理功能模塊等共同構成的一種組合。所有這些都是計算機系統方面的基本要素。抽象以及分層則能夠對所有要素之間進行重新整合。基于此結構之中，需要建立以內核作為重要基準，并向下開展，利用硬件驅動程序完成對具體硬件等類型差異的一種有效屏蔽。促使內核可以充分獨立于日益發展的設備更新環境之中。向上方面，需要能夠面向系統提供可以統一調用的接口，作為運行與用戶態的各類型程序則應當能夠訪問內核功能門戶，以便可以讓上層應用程序充分獨立與內核并實施優化。

（二）內核結構分析

具體到內核本身，其發展歷程中也經歷了多種結構的演變，從早期的整體式單內核結構到后來的層次式單內核結構再到微內核結構。Unix和Linux都是單內核結構，而Windows XP和Mach屬于微內核結構。鑒于操作系統軟件的復雜性，內核的結構對操作系統軟件的正確性、效率、可擴展性、可移植性等具有重要作用，是“結構決定功能”的典型范例。

整體結構的概念產生于20世紀，但是當時對此類問題的研究相對較少，內核主要被分類在功能模塊的范圍之中，模塊彼此之間則能夠通過不加控的方式實施調用。此項結構的主要優勢包括結構更加緊密，組合形式也比較便利，系統效率也能夠獲得明顯提升。但是，此類系統結構也具有明顯的缺陷，包括調用關系相對更加復雜，在結構性方面表現出一些問題，可移植能力不強等。層次式類型結構之中會對功能模塊按照實際功能情況完成調用，并按照次序進行排列，形成多個層次，不同層次之間表現為單向調用方式。此類結構的基本優勢是接口較少，操作簡單。其中下層功能模塊的正確性主要受到上層功能模塊的影響。但是，從更加嚴格的角度出發，則無法進行精準確定。實施嚴格意義上的分層也將會進一步降低系統效率。除此之外，因為一層之中擁有大量的功能，針對不同層次實施較大水平的增減則將會造成對相鄰功能的影響。為此，無法在一定系統基礎之中通過增減功能的方式完成操作。微內核認為只有最核心部分的操作系統功能需要運行于內核態。

（三）進程結構分析

進程結構方面主要包括幾點內容，第一，內核功能組織以及進程映像邏輯結構。在實際教學階段，研究者認為一些學生通過對操作系統視為一種相對獨立的特殊程序加以學習。實際上，操作系統本身具有一定的特殊性，包括系統運行在內核態下。但是，這個過程中更為重要的問題時，操作系統程序與普通程序之間相一致的是，需要能夠獲取處理器之后才能夠完成相關執行操作。為了可以更好的掌握操作系統程序以及普通程序學習，需要充分理解操作系統內核功能之中的組織模型以及進程影響結構情況。

在分析操作系統程度的過程中，用戶程序一般情況下會被應用在用戶模式方面，系統功能能否設定為獨立進程，則需要根據實際需求情況進行確定。一種早期的組織方式是，操作系統的功能運行在任何進程之外，擁有自己獨立的地址空間和運行棧。第二種組織方式是讓大部分內核功能在用戶進程內執行，將os看成是一組用戶進程經常會調用的常用功能的集合。為此，每個進程映像不僅包括用戶程序執行所需的環境，還需要包含為執行操作系統內核程序執行所需的代碼、數據和堆棧。這一執行模型很好地詮釋了進程和程序的關系并非是1對1的。在同一個進程內，可以執行用戶程序和操作系統程序，而在不同進程中執行的操作系統程序是相同的（通過共享地址空間共享）。最后一種方式是將大部分操作系統功能也組織成進程，與用戶進程一樣可被獨立調度。這種方式的好處在于一些非關鍵的操作系統功能可以按照某個優先級和其它進程交錯運行，同時，在多處理器環境下，也便于操作系統服務在不同的處理器中運行，從而提高性能。endprint

三、教學環節培養學生的系統結構思維方式

當前階段，高校開展《操作系統原理》課程的過程中經常會出現學生的錯誤認知情況。將《操作系統原理》視為是學習算法的課程。因此，需要在未來的教學工作中強化結構概念。操作系統之中的教學人員應當充分了解構建系統結構意識所具有的重要性，不斷強化結構概念并在這個過程中積極培養結構思維，從而實現大型計算機整體概念。通常情況下，在開展教學階段，常規教學方法都采取的是自上至下的原則，也就是對系統的整體性結構進行分析，并介紹局部功能內容，以此提升對局部內容的理性認知，提高局部性能算法。

但是本方法的應用需要在初次介紹整體結構的過程中，學生能夠形成一定的感性認知，但是這種效果并不明顯。為此，對結構形成的感受也不深刻。本研究中結合實際情況，探究具體方法，以便能夠從多角度出發，解決實際問題。第一，通過自上至下的結構分解方式，可以幫助學生形成操作系統結構的認知。第二，結合具體功能講解，針對系統功能結構進一步強化，促使學生能夠更加關注對各要素之間的關聯性。第三，針對相對更加重要的結構概念內容，則需要加強不同教學模塊支架的交互與融合。如對層次化存儲結構在前后章節之中的強化，也包括了進程七態模型等的掛起態、多核cPu進程等相關內容。進程的系統上下文概念同樣也能夠通過進程映像結構等完成強化。最終，課程之中對主要層次進行講解之后，可以通過自下而上的形式，對系統整體結構情況進行分析，實施重構。

文件系統本身應當是構建于I/O條件基礎上的一種針對上層軟件實施的優化設計與操作。虛擬內存屬于針對包括主存以及外存方式的訪問文件形式。進一步而言，進程則應當是在有效處理資源以及存儲資源等方面的一種抽象描述，這個過程就充分形成了操作系統方面的抽象概念。充分依據這個結構關系的重構則能夠在完成對軟件系統操作的核心講解之后更進一步對相關內容進行展開。學生就能夠對學習過程中的操作系統產生整體認知，完成量質變的轉換。

結束語

綜上所述，本研究從“結構”的角度出發，探究《操作系統原理》相關課程的核心與關鍵。教學環節之中應當更加看重對系統所有元素之間的組合與關聯性，因此，指引學生了解與掌握系統構造之中的一般規律性，并深入探究系統操作過程中各種存在的結構概念。通過這種方式，實現自上至下的認知與學習，深化學生對系統結構思維的形成。endprint