操作系統中的情景式教學之進程管理

王舉輝

山東理工大學計算機科學與技術學院 山東 淄博 255000

操作系統是計算機系統中的核心軟件之一,是覆蓋在硬件上的第一層軟件,實現了對計算機功能的首次擴充[1]。操作系統原理也是考研以及重大考試的主要課程。因此,提高該門課程的教學質量對于培養合格的計算機專業人員是至關重要的,如何學好操作系統也是每個教師學生所關心的。

但操作系統原理的特點是概念多、原理多,許多知識點晦澀難懂,看不見摸不著,很難理解。但操作系統的理論來源于實踐,是一門非常典型的“理論來源于實踐,反過來又指導實踐”的課程。在實際生活中,有關操作系統的概念、理論、算法的思想無處不在。因此,我們可以將生活中的現象與操作系統中的知識點有機結合起來,充分利用情景式教學,幫助學生更好地理解和掌握操作系統。

1 進程管理概述

進程管理部分主要包括進程控制、進程同步、進程通信和調度。

現代操作系統所體現出來的特征主要是基于進程的存在。進程和線程是兩個非常抽象的概念,是為了程序的并發而“造”的概念。進程描述了程序的一次運行過程,進程的存續類似于我們人的一生。

進程和線程都屬于“造”的概念,恰如我們生活中的“雙十一”、“618”等購物節,都是為了完成某個任務而產生的。線程是比進程更小的實體,本身擁有的資源很少,與同屬于一個進程的線程共享該進程的資源,這樣線程帶來的時空開銷比較少,切換速度比較快。進程與線程的關系猶如一臺舞臺劇,進程是舞臺上的布景、設施和音樂,而線程則是舞臺上表演的演員,彼此共享舞臺(相當于同屬于一個進程的線程共享該進程的資源)。

2 情景式教學

情景教學法是指教師在教育教學過程中,進行情緒色彩在內的、力求形象生動場景的創建,以此提升學生的情感與學習積極性,指導學生對教材內容進行深入理解,提升學生學習的能力[2]。

情景教學必須與“知情統一”原則相符合。也就是有效地將所學知識充分結合情感,促進兩者之間的相互轉換,實現知識的融會貫通,這與情景教學具有統一性。基于此,情景教學法主要就是激發學生的學習興趣。

3 處理機調度中的情景教學

多道程序環境中的進程要獲得處理機,必須經過調度程序的調度。所謂調度就是根據既定的調度策略選擇一個進程讓其獲得CPU。生活中的“調度”無處不在。

情景1：食堂排隊打飯,非常典型的FCFS算法的體現,不需要“排隊器”重新排隊,簡單。

情景2：醫院看病,通過掛號排隊等待,但一旦有危急病人,必須優先診療,典型的優先級高者優先調度。

情景3：幼兒園老師喂飯。幼兒園幼小的孩子需要老師協助進餐,通常的做法是小朋友圍坐在桌子邊,老師一人一口輪著喂,很典型的“時間片輪轉調度算法”。

上述情景在生活中容易見到,學生體會深刻,算法不再是枯燥的理論,而是隨處可見的生活。

4 進程同步中的情景教學

并發執行的進程如果不加以控制的話,可能使得執行結果具有不可再現性,這是計算機用戶不能接受的。進程同步的基本任務是對多個相關進程在執行次序上進行協調,使并發執行的諸進程之間能按照一定的規則(或時序)共享系統資源,并能很好地相互合作,從而使程序的執行具有可再現性[1]。信號量機制是常用的同步機制。

信號量(信號燈)機制中的信號量可理解為交通信號燈,當我們看到“紅燈”,知道自己的方向不能走,是因為自己要走的路(共享資源)被另一方向的人流占有,當發現是“綠燈”時,則提醒自己可以走了。生活中我們是通過眼睛獲得自己“走”還是“停”的信號,但系統中的進程彼此不知道其它進程的存在,因此進程的“走”和“停”需要特殊的機制來協調,這就是信號量機制(人的眼睛)的引入,其中P(S)相當于幫助進程判斷能不能“走”,V(S)用來幫助進程喚醒等待的其它進程(如果有的話)。

上述情景能夠幫助學生更好地理解信號量機制的定義,以及為什么使用信號量機制能夠描述進程同步問題,除此之外,如何利用信號量機制解決同步問題也是學習的難點。生活中的“同步”情景比比皆是。

情景1：爸爸為兒子和女兒切水果,使用一個盤子,一次只能放一種水果,兒子喜歡蘋果,女兒喜歡梨。偽碼如下：

Father進程：

P(S);

如果是蘋果,V(S1);否則,V(S2)

Son進程：

P(S1);

取走蘋果;

V(S);

daughter進程：

P(S2);

取走梨;

V(S);

情景2：運動會中的接力賽,典型的同步情景。第一人跑完將棒交到第二人手中,第二人才能能跑多快就跑多快,第二人受到第一人的制約(直接制約),后面的兩人也是這種關系。學生都有參加運動會或觀看運動會的經歷,非常容易理解。

5 進程通信中的情景教學

進程通信簡單說就是進程彼此之間交換信息。生產者－消費者問題雖然是經典的進程同步問題,但同時也是描述通信的一個過程。

在生產者－消費者問題中,生產者利用緩沖池與消費者通信,但學生對于緩沖池的引入不容易理解,為幫助學生理解,情景模擬如下：快遞員(生產者)要給你家(消費者)送快遞,但你家里暫時沒人,于是快遞員撬開你家的門,把快遞放在你家里,這樣可以嗎? 當然不可以。自己的家是私人空間,相當于系統為消費者分配的內存,生產者是不能直接訪問的,因此引入了緩沖池這個共享區域,現實生活中快遞員可以把快件暫時放在快遞柜里(緩沖池),這樣既保障了安全,又實現了通信。

6 結束語

本文從進程與線程、處理機調度、進程同步、進程通信等幾個方面介紹了情景教學方式的使用,這些情景現實生活中隨處可見,學生經常身臨其境,因此,理解相關的概念、原理和算法就變得更加簡單,也增加了學生學習的樂趣,使枯燥的一門課變得生動活潑。