摘要：本文通過現(xiàn)實生活中的資源有限性、平等、均衡匹配、均衡與優(yōu)先、緊密聯(lián)系實際、折中與中庸等管理思想，來闡述操作系統(tǒng)課中的帶有普遍性的問題，從而提高操作系統(tǒng)課的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；管理思想；資源有限性；平等；匹配；均衡；優(yōu)先；折中

中圖分類號：G64 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5913（2007）06-0037-03

1 引言

操作系統(tǒng)是計算機專業(yè)的核心課，由于其理論抽象，原理多，不易實踐等原因，使學(xué)生學(xué)起來感到極其枯燥。眾多原理、調(diào)度策略、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)給學(xué)生學(xué)習(xí)帶來了諸多困惑。如何將抽象的原理具體化，除通過相應(yīng)的實驗外，在授課過程中注意與現(xiàn)實生活中具體的管理思想和管理方法相聯(lián)系，使課程內(nèi)容變得生動而簡潔，從而取得良好的效果，這是講授操作系統(tǒng)課的教師應(yīng)不斷研究的問題。

操作系統(tǒng)對計算機硬件和軟件資源進行統(tǒng)一管理，為用戶提供一個功能強大，操作簡便的接口，它既要使計算機資源的利用率發(fā)揮到最大，又要使用戶感到計算機給自己提供了快捷方便的服務(wù)，因此操作系統(tǒng)既是管理者，又是服務(wù)者。筆者在授課過程中，經(jīng)常貫穿了以下思想，并取得了較好的效果。

2 管理對象資源有限性思想

在現(xiàn)實生活中，資源是極其有限的，循環(huán)經(jīng)濟就是最大限度地發(fā)揮資源的利用率，許多資源是不可再生的，在管理中必須樹立資源是極其寶貴的思想，管理策略的選定是緊密圍繞最大限度利用資源來決定。操作系統(tǒng)的管理策略就是建立在一定的硬件資源基礎(chǔ)上的。

例如，計算機系統(tǒng)的速度慢，就操作系統(tǒng)而言，不能通過更換CPU、擴充內(nèi)存、增加Cache、提高I/O設(shè)備的處理速度來解決。而是改進操作系統(tǒng)的管理策略，使CPU和各種設(shè)備諧調(diào)地動起來，避免出現(xiàn)空轉(zhuǎn)等待情況。換言之，再大的內(nèi)存，如Windows系統(tǒng)，當(dāng)打開足夠多的任務(wù)后，系統(tǒng)的內(nèi)存也會被耗盡，甚至造成死機現(xiàn)象。總之，操作系統(tǒng)的各種管理策略必須建立在有限資源的思想上，這是根本性的問題。在具體授課中，反復(fù)強調(diào)這一思想，使學(xué)生從心理上接受為什么會有那么多的管理策略和調(diào)度算法，這對學(xué)生深入學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)是極其有益的。

3 管理策略要體現(xiàn)平等的思想

在分時操作系統(tǒng)中，處理機調(diào)度使用時間片輪轉(zhuǎn)法。該方法要求將一段時間劃分為固定大小的很小的時間段，稱為時間片，每個進程一次只能占用一個時間片的處理機時間，即使進程運行沒有結(jié)束，也必須被撤換下來，以便就緒的下一個進程使用；被換下的進程直到下一次輪到自己時才能使用處理機。這種策略就是現(xiàn)實生活中平等思想的最好體現(xiàn)。如法律面前人人平等，不論官位高低、富有和貧賤都是平等的。平等的思想，克服了有些進程長時間占用處理機而造成其他一些進程長時間等待，進而造成多個用戶在使用計算機時，某些用戶一直得不到或長時間得不到系統(tǒng)服務(wù)，最終造成系統(tǒng)響應(yīng)差的問題。

4 眾多的資源管理要有均衡匹配的思想

操作系統(tǒng)管理計算機所有的硬件資源，而這些硬件設(shè)備由于加工工藝、材料等原因，在處理數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)方面有很大的差異。如CPU的速度一般在ns級，Cache的讀出時間為50ns，內(nèi)存的是250ns；又如選擇通道連接的高速外圍設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸率可達到1.5MB/S，即0.67s傳送一個字節(jié)；字節(jié)多路通道連接的低速外圍設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸率是1000B/S，即1ms傳送一個字節(jié)，其速度相差1000倍。硬盤真正的傳輸速度由于受硬盤內(nèi)部傳輸速率的影響，其穩(wěn)定傳輸速率一般在30MB/S到45MB/S之間，光磁盤數(shù)據(jù)傳輸速度8MB/S到20MB/S之間，USB2.0設(shè)備為60MB/S。在實際處理系統(tǒng)中，當(dāng)有用戶通過鍵盤輸入內(nèi)容時，由于人的反映遠(yuǎn)低于計算機硬件的速度，使得系統(tǒng)速度極大降低。

這些設(shè)備的差異造成了管理的復(fù)雜化，如何把不同速度的設(shè)備組成一個有機的統(tǒng)一體，是一個系統(tǒng)問題。在現(xiàn)實生活中，每個人的學(xué)習(xí)能力、專業(yè)能力、身體條件、愛好等都有差別，如何把他們組合成一個強有力的集體，正是現(xiàn)在管理學(xué)研究的問題。在這一集體中，要追求和諧，對每個人要揚長避短，才能達到最大的效力，而不是使某一個人發(fā)揮最大能力，這在系統(tǒng)論中早以作出了闡述。

操作系統(tǒng)對這一問題，采取了均衡匹配的思想，即盡可能讓慢速設(shè)備與快速設(shè)備相匹配。具體做法是通過多道程序使含有I/O操作的進程與計算為主的進程并行操作，讓CPU給計算進程服務(wù)時，I/O進程獨立的完成緩慢的I/O操作。在內(nèi)存管理方面，設(shè)立快表、虛擬存儲器來提高內(nèi)存的訪問速度；在I/O設(shè)備輸入/輸出數(shù)據(jù)時，設(shè)立緩沖區(qū)，當(dāng)慢速設(shè)備輸入/輸出數(shù)據(jù)達到一定量時，CPU才對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行讀寫；設(shè)立中斷處理機構(gòu)，通過查詢中斷方式對慢速設(shè)備的數(shù)據(jù)進行抽空處理。

5 均衡與優(yōu)先相統(tǒng)一的思想

操作系統(tǒng)中，只要有多選一的情況，就要發(fā)生調(diào)度，如多個后備狀態(tài)的作業(yè)在進入執(zhí)行狀態(tài)時，多個就緒進程進入運行狀態(tài)時，多個虛頁進行交換時，一個設(shè)備分配給多個進程時，都會發(fā)生調(diào)度。只要調(diào)度，就存在一個策略選擇的問題。如作業(yè)調(diào)度時的短作業(yè)優(yōu)先法、最高響應(yīng)比優(yōu)先法、先來先服務(wù)法、優(yōu)先級法、輪轉(zhuǎn)法等。

各種調(diào)度策略總是按某一規(guī)則來確定優(yōu)先順序，先來先服務(wù)法是以作業(yè)到達系統(tǒng)的時間來確定優(yōu)先順序，但這種方法會造成估計執(zhí)行時間很短的作業(yè)在那些長作業(yè)后面到達系統(tǒng)的話，等待時間會過長，系統(tǒng)的吞吐率也會降低。短作業(yè)優(yōu)先法則以最短的作業(yè)優(yōu)先的策略，提高了吞吐率，然而會造成一些長作業(yè)永遠(yuǎn)得不到調(diào)度執(zhí)行的機會。

對這些問題的解決，就出現(xiàn)了最高響應(yīng)比優(yōu)先法，它同時考慮每個作業(yè)的等待時間W和估計執(zhí)行時間T，從R=（W+T）/T可得出作業(yè)的優(yōu)先級隨等待時間而發(fā)生變化，從而避免長時等待問題和平均主義思想。故一個好的調(diào)度策略的選擇，充分體現(xiàn)了現(xiàn)實生活中的均衡與優(yōu)先思想。如醫(yī)院看病，設(shè)有急診科和普通科室，兩者的結(jié)合滿足了不同情況病人的需求；再如用電緊張時，錯峰用電的策略；干部的換屆和輪崗等。在一個實際系統(tǒng)中，調(diào)度策略可能采用多種，從而適應(yīng)各種情況。

6 把握對象，緊密聯(lián)系實際的思想

在操作系統(tǒng)中，管理對象隨時發(fā)生著變化，它是動態(tài)變化的，而不是靜態(tài)的，就像現(xiàn)實生活中的人。為準(zhǔn)確把握管理對象，掌握它們某一時刻的情況，操作系統(tǒng)為每一個對象建立了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過各自數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的內(nèi)容，準(zhǔn)確把握對象的狀態(tài)，從而進行精確地管理。

在作業(yè)管理中，操作系統(tǒng)為每個作業(yè)建立了作業(yè)控制塊（Job Control Block，JCB），JCB中包含有對作業(yè)的基本描述，指明作業(yè)的名稱、歸屬、作業(yè)說明書的控制語言；又包含作業(yè)對資源的需求描述和控制信息描述，如作業(yè)的優(yōu)先級、所需內(nèi)存、要求處理時間和允許最大處理時間等。在進程管理中為每個進程創(chuàng)建進程控制塊（Process Control Block，PCB），PCB中包含了對進程的基本描述、資源需求描述和控制描述?？刂菩畔⒂职ㄟM程的當(dāng)前狀態(tài)、進程的優(yōu)先級、通信信息等。

內(nèi)存管理中，為了記錄內(nèi)存的分配狀態(tài)；在分區(qū)存儲管理中，要建立分區(qū)說明表，動態(tài)記錄每個分區(qū)的使用情況，動態(tài)分區(qū)還把可用分區(qū)單獨構(gòu)成可用分區(qū)表或可用分區(qū)自由鏈，以描述系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)存資源情況。在頁式管理中，系統(tǒng)建立存儲頁面表來記錄某一時刻內(nèi)存的使用情況，通過將其某位置1，表示對應(yīng)頁被分配出去，置0表示對應(yīng)頁空閑，可供分配。在文件管理中，為每一個文件建立文件控制塊（File Control Block，F(xiàn)CB），其中包含對文件的基本描述，如文件名、文件的邏輯結(jié)構(gòu)、文件的物理結(jié)構(gòu)、文件的大小、文件的創(chuàng)建或修改日期等。

在設(shè)備管理中，對每個設(shè)備建立設(shè)備控制表（Device Control Table，DCT），其內(nèi)容包括設(shè)備的標(biāo)識、類型、設(shè)備號、設(shè)備的狀態(tài)、等待用該設(shè)備的進程隊列指針、指向與該設(shè)備相連的I/O控制的指針等等。同時，系統(tǒng)還建立了一張系統(tǒng)設(shè)備表（System Device Table，SDT），記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況?？刂破鞅恚–ontroler Control Table，COCT），記錄每個控制器的使用狀態(tài)以及和通道的連接情況。通道控制表（Channel Control Table，CHCT），記錄每個通道的標(biāo)識符、通道忙/閑、等待獲得該通道的進程等待隊列的隊首指針和隊尾指針等等。

這正如現(xiàn)實生活中，公安機關(guān)為了管理人，必須建立身份證來記錄每個人的基本情況；組織部門為了準(zhǔn)確掌握干部情況，要建立干部檔案并將其進行微機管理。學(xué)校為了管理學(xué)生，要把學(xué)生的個人基本情況、獎罰情況、成績情況造表，輸入計算機系統(tǒng)進行管理。信息掌握得越多，管理就越科學(xué)合理。被管理對象的信息是管理的基礎(chǔ)和依據(jù)。在操作系統(tǒng)中，為了準(zhǔn)確管理每一個對象，在它們相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，隨時隨地將其變化的信息保存下來，從而使操作系統(tǒng)在如此復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)中，有條不紊地進行管理。這些數(shù)據(jù)構(gòu)成了整個操作系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，是各種分配、調(diào)度策略的物質(zhì)基礎(chǔ)。

7 折衷和中庸思想

操作系統(tǒng)管理的對象是實實在在的每臺計算機，其使用情況又千差萬別，沒有一種管理辦法在各種情況下都是最優(yōu)的。就拿作業(yè)調(diào)度，如果從經(jīng)濟效益的角度而言，哪個用戶出的使用費高，哪個用戶的作業(yè)應(yīng)優(yōu)先執(zhí)行，此時優(yōu)先級法最好。從系統(tǒng)單位時間內(nèi)盡可能多地為多個用戶服務(wù)的角度而言，短作業(yè)優(yōu)先法是最好的。

在實時系統(tǒng)中，時間的響應(yīng)成為首要問題，資源的利用率變?yōu)榇我獑栴}，原先以提高資源利用率的時間片輪轉(zhuǎn)法不再是好的策略。虛擬存儲管理中，既要考慮內(nèi)存擴充問題，將進程的部分頁換出內(nèi)存；又要考慮進程的執(zhí)行速度，將一些經(jīng)常訪問的頁、頁表等不能換出內(nèi)存。好的置換算法是將換出內(nèi)存的頁和保留內(nèi)存的頁相統(tǒng)一，避免發(fā)生抖動現(xiàn)象。由此可見，操作系統(tǒng)中的管理策略，正如現(xiàn)實生活中的問題，不能用一種管理辦法管到底，而是多種辦法相結(jié)合。如在平均主義造成鐵飯碗，沒有競爭力的情況下，引入多勞多得、按勞分配的原則是極為必要的。同樣在收入差距擴大到超出合理范圍時，通過加大稅收調(diào)節(jié)，扶持弱勢群體的措施又是首要策略。在授課中，不斷貫穿這一思想，有利于促進學(xué)生形成緊密結(jié)合實際，根據(jù)實際情況選擇管理策略的能力。

8 結(jié)束語

總之，將現(xiàn)實生活中，學(xué)生可以感覺到的管理思想應(yīng)用在操作系統(tǒng)教學(xué)中，能取得事半功倍的效果，才能將抽象枯燥的理論變?yōu)樯鷦拥膬?nèi)容。

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收稿日期：2006-09-27

作者簡介：何珍祥（1967-），男，漢族，副教授，研究方向：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫。