陳燕暉　念其鋒　羅　宇

摘要:本文針對“操作系統(tǒng)”教學(xué)中對真實操作系統(tǒng)進行定量處理方面的不足,在反思的基礎(chǔ)上,提出在課堂教學(xué)、課程實驗等各個教學(xué)環(huán)節(jié)加強定量方法的應(yīng)用,并輔以具體的實例說明定量方法的優(yōu)勢之處,最后給出了實施定量教學(xué)的若干建議。

關(guān)鍵詞:操作系統(tǒng);定量方法;性能評估

中圖分類號:G642 文獻標志碼:B

1引言

定量方法在教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。確切的數(shù)據(jù)往往更具有說服力,能讓學(xué)生對抽象的理論有更好的認識。在指導(dǎo)學(xué)生對某個問題進行研究,采集、分析數(shù)據(jù)乃至得到結(jié)論方面,更彰顯了定量方法的重要性。

“操作系統(tǒng)”是計算機學(xué)科的一門核心課程,其教學(xué)內(nèi)容多處采用了定量方法,如對進程調(diào)度算法和磁盤調(diào)度算法的分析就是典型的例子。但是,通過分析當前一些操作系統(tǒng)教學(xué)的相關(guān)材料及文獻后,我們發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)教學(xué)在定量方法的使用方面依然有不足之處。

首先,在系統(tǒng)性能評估方面內(nèi)容偏少。性能是操作系統(tǒng)設(shè)計時的一個重要考慮因素,計算機普通用戶可能關(guān)心響應(yīng)時間,而系統(tǒng)管理員可能關(guān)心吞吐量。如何對系統(tǒng)進行具體的性能評價在國內(nèi)外操作系統(tǒng)教材中均著墨很少,甚至根本不涉及。在一些操作系統(tǒng)教學(xué)網(wǎng)站公開的課件和課程實驗內(nèi)容中,我們也很少看到這方面的內(nèi)容,盡管文獻[1]明確指出操作系統(tǒng)的核心學(xué)時中應(yīng)有一學(xué)時用于系統(tǒng)性能評價。

其次,操作系統(tǒng)教材往往不能利用當前真實系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù),許多教材定性分析內(nèi)容多,但定量部分則有所不足。這當然與印刷物自身的局限性有關(guān),但另一方面還可能源于教材作者自身的考慮,如果過分依賴于特定的平臺,在硬件和軟件飛速變化的時代,相關(guān)內(nèi)容很容易過時。

教師作為教學(xué)活動的主導(dǎo)者,應(yīng)該不為相關(guān)教材所局限,如果有意識地在多個教學(xué)環(huán)節(jié)應(yīng)用定量手段,則可以彌補上述不足,取得更好的教學(xué)效果。

2各教學(xué)環(huán)節(jié)中定量方法的增強實施

對于操作系統(tǒng)教材中已經(jīng)廣泛采用的量化手段,我們不再討論,本節(jié)著重討論可以進一步強化實施量化方法的教學(xué)環(huán)節(jié)和具體做法。由于各教學(xué)環(huán)節(jié)的特點不同,量化方法實施的著眼點和程度也就有所不同。

2.1課堂教學(xué)中征引相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)彌補教材不足,反映操作系統(tǒng)當前動態(tài)

本環(huán)節(jié)的可增強余地不大,但是教師可以關(guān)注業(yè)界動態(tài),了解本領(lǐng)域的最新進展,收集豐富的數(shù)據(jù)材料并用之于教學(xué)。例如講到分時系統(tǒng)與時間片,可以列舉代表性的分時系統(tǒng)CTSS、Unix V6、4.4BSD及最新的Linux 2.6在運行平臺上的時鐘中斷頻率、時間片和平臺計算能力等數(shù)據(jù),通過這些具體的數(shù)據(jù),學(xué)生不僅對真實系統(tǒng)有直觀的認識,還可以看到歷史軌跡下硬件技術(shù)的發(fā)展對軟件參數(shù)值產(chǎn)生的影響。此外,這些數(shù)據(jù)還可以用于估算進程切換的純開銷。

再例如設(shè)備管理和文件管理很多知識點基于的前提就是磁盤訪問速度遠遠慢于內(nèi)存訪問速度。但目前固態(tài)硬盤的市場日趨增大,其特點完全不同于傳統(tǒng)機械硬盤,教師可以在適當時候列出兩類硬盤的性能參數(shù)對比,然后針對固態(tài)硬盤技術(shù)提出如下問題:

(1) 調(diào)度算法有必要嗎?

(2) 緩沖技術(shù)還要必要嗎?

(3) 磁盤碎片整理有必要嗎?

教師順便介紹當今操作系統(tǒng)如Linux、Windows對固態(tài)硬盤技術(shù)的支持時給出以上問題的結(jié)論,學(xué)生不僅可以了解當今操作系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)而且可以深深體會硬件技術(shù)對操作系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)所產(chǎn)生的影響。

2.2圍繞真實系統(tǒng),開發(fā)定量結(jié)果的習(xí)題

在學(xué)習(xí)過程中,要求定量結(jié)果的習(xí)題一般比概念性、定性化的題目更能吸引學(xué)生的注意力,激發(fā)學(xué)生的興趣。

縱覽操作系統(tǒng)教材的配套習(xí)題和專門的操作系統(tǒng)習(xí)題書,我們依然可以發(fā)現(xiàn)不足之處,就是針對當前真實系統(tǒng)的習(xí)題偏少,即便是一些要求定量結(jié)果的習(xí)題,因取材自抽象后的簡化模型,給出的相關(guān)計算參數(shù)也不能反映真實場景。這種處理方式的弊端就是理論和實際有一定的脫節(jié),學(xué)生對真實的系統(tǒng)可能會有隔膜。教師可以改善這種狀況,下面是我們在教學(xué)過程中用過的兩個題目:

(1)C程序“hello,world”從開始編輯到最終運行在系統(tǒng)中會產(chǎn)生多少進程/線程?

(2)C程序“hello,world”在當前系統(tǒng)中運行一次,其產(chǎn)生的最少、常規(guī)、最多(理論上)缺頁次數(shù)是多少?

這兩個題目將迫使學(xué)生針對具體的操作系統(tǒng)進行分析解答,由此獲得的對Linux/Windows進程/線程模型和虛擬存儲子系統(tǒng)的認識絕對不是普通習(xí)題可以達到的。

再例如頁表的格式及地址轉(zhuǎn)換,相關(guān)的習(xí)題都是基于一級頁表,而真實系統(tǒng)中常見的多級頁表卻不見蹤影,原因很簡單,即使小進程的頁表也需要若干KB的數(shù)據(jù)量,對于紙質(zhì)書籍這往往是不可以接受的。在Web技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天,我們完全可以抓取一個真實進程某個時刻的頁表快照,然后設(shè)計相應(yīng)的題目,通過課程網(wǎng)站以電子作業(yè)的形式提供給學(xué)生。

2.3在課程實驗與課程設(shè)計中引入性能測試和評估

相比起課堂教學(xué)內(nèi)容,操作系統(tǒng)實踐部分的彈性更大,教師的自由度更多,教師可根據(jù)具體情況引入性能測試相關(guān)內(nèi)容。性能測試與評估必須針對具體的平臺,我們在課程設(shè)計中選用的是Linux操作系統(tǒng),其源代碼開放,有大量的軟件可供使用,可以進行各種層次的性能測試與評估。

具體的引入方式有兩種。一種方式是將性能測試分析作為單獨的實驗,可利用現(xiàn)成的基準測試程序和性能分析工具。因為操作系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)的先修課程,所以用于測試網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器性能的基準測試程序不太適合作為實驗內(nèi)容,比較適合的是開源微觀基準測試套件Lmbench和文件系統(tǒng)基準測試程序bonnie、iozone、dbench等。Lmbench用于測量處理器和內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)、磁盤之間的系統(tǒng)延遲和數(shù)據(jù)移動帶寬,其測試結(jié)果包含了系統(tǒng)調(diào)用、上下文切換、進程創(chuàng)建、文件系統(tǒng)的創(chuàng)建和刪除等性能指標,可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的瓶頸,比較貼合本科教學(xué)內(nèi)容。Linux平臺下的性能分析工具也非常多,比如proc文件系統(tǒng)、top、vmstat、iostat和sar等,如果想分析測試Linux內(nèi)核本身的性能,則可以使用Linux Trace Toolkit或Oprofile?？偠灾?Linux這方面的工具非常豐富,可以滿足不同層次的需求。

另一種方式是將性能測試評估作為實驗項目的一個步驟。我們所見的課程設(shè)計項目一般都需要分析、設(shè)計、實現(xiàn)、測試功能正確性及撰寫報告這幾個步驟,但是將性能測評納入考慮范圍的很少。下面是我們用過的一個實驗。

逆序一個大小為64MB的文本文件,請使用下面三種方法:

(1) 標準C的I/O函數(shù);

(2)Unix的I/O函數(shù);

(3)open和mmap。

要求盡量考慮效率,比較三種方法的性能。前兩種方法,要求測試I/O每次讀寫單位分別為1B和4KB的情況。

學(xué)生從本實驗獲得的知識與技能有:

(1) 理解緩沖對性能的影響。

(2) 了解系統(tǒng)調(diào)用開銷和使用strace追蹤系統(tǒng)調(diào)用情況。

(3) 使用time測試程序運行時間,了解程序運行的實際時間、用戶CPU時間和系統(tǒng)CPU時間。

(4) 了解操作系統(tǒng)本身實現(xiàn)對程序性能的影響。

影響程序性能的因素非常多,學(xué)生一般都知道語言、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等因素。但采用不同系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)相同功能,性能差距卻很大讓學(xué)生對mmap充滿了好奇。另外值得一提的是,我們發(fā)現(xiàn)有些學(xué)生采用了較差的實現(xiàn)方案,導(dǎo)致每次讀寫單位為一字節(jié)時利用標準I/O函數(shù)的程序竟然比利用Unix I/O函數(shù)的程序慢,經(jīng)過指點后學(xué)生使用strace發(fā)現(xiàn)了癥結(jié)所在,重新調(diào)整實現(xiàn)方案取得了預(yù)想的結(jié)果,這種性能調(diào)節(jié)的過程對學(xué)生起到的鍛煉效果是令人滿意的。

2.4在課外教學(xué)指導(dǎo)中深化定量教學(xué)

課外學(xué)習(xí)指導(dǎo)是課堂教學(xué)的延續(xù),教師可以適當指導(dǎo)學(xué)生自發(fā)組織的操作系統(tǒng)興趣小組,但應(yīng)注意充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動性。在加強學(xué)生操作系統(tǒng)量化處理能力方面,一種方式是跟蹤當前Linux內(nèi)核的進展,學(xué)會定量評估某個內(nèi)核組件或功能模塊的性能,甚至在此基礎(chǔ)上嘗試改進。另一種方式是指定閱讀若干操作系統(tǒng)方向的論文,這些論文包含研究技巧和相應(yīng)的性能測試分析,如有可能,讓學(xué)生重復(fù)論文的實驗結(jié)果,一個很好的示例見文獻[3],這種方式能培養(yǎng)學(xué)生基本的科研素養(yǎng)。

3操作系統(tǒng)定量教學(xué)實施的建議

在定量教學(xué)實施過程中,建議注意如下幾點:

(1) 要有系統(tǒng)的觀點。所謂系統(tǒng)的觀點體現(xiàn)多個方面,一是定量方法本身是為教學(xué)服務(wù)的,二是操作系統(tǒng)本身是計算機系統(tǒng)中的一個組件,三是操作系統(tǒng)的各子系統(tǒng)如何配合運作整個系統(tǒng)的,四是子系統(tǒng)的各功能模塊如何配合運轉(zhuǎn)本子系統(tǒng)的。以這種觀點來組織教學(xué),必須依托于真實系統(tǒng),把各個知識點貫穿起來,前面各節(jié)提到的實例都反映了我們這方面自覺的嘗試。

(2) 注意各教學(xué)環(huán)節(jié)互相配合銜接,定性與定量結(jié)合。以線程的講授為例,引入線程的一個主要目的是利用機器并行處理能力,若干年前可能因為硬件條件不足,學(xué)生無法親身體會,但是在多核和超線程技術(shù)大行其道的今天,完全可以設(shè)計相應(yīng)的項目讓學(xué)生在真實的機器上進行性能測試,體驗并行帶來的好處。

(3) 注意實例積累與學(xué)生反饋。在實施量化教學(xué)時,符合理念的現(xiàn)成習(xí)題和項目確實不多。一個途徑是改進一些已有的習(xí)題和項目使之滿足定量教學(xué)要求,另一個途徑是自行設(shè)計全新的習(xí)題及項目。在新習(xí)題和項目開始使用的前幾年,要注意和學(xué)生溝通,收集學(xué)生的反饋意見。根據(jù)我們的經(jīng)驗,新題目或新項目必須經(jīng)過學(xué)生的打磨后才會變得更加完善。

4結(jié)束語

當今操作系統(tǒng)教學(xué)在定量方法的運用方面或有不足之處,特別是在目前課堂教學(xué)內(nèi)容相對于統(tǒng)一的情況下,實驗環(huán)節(jié)的具體內(nèi)容更顯多樣性,其具體的實施和考核由各個高校的教師自行掌握,使得系統(tǒng)性能測試與評估一直被有意無意地忽視。我們根據(jù)教學(xué)體會系統(tǒng)地討論了在各個教學(xué)環(huán)節(jié)中如何有效實施量化教學(xué)并佐以具體實例說明,希望引起同行的關(guān)注并予以批評指正。

參考文獻:

[1] 教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會.高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨專業(yè)規(guī)范(試行)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2] 羅宇,張穎蓓,葉常春. 本科操作系統(tǒng)課程設(shè)置及教學(xué)體會[J].計算機教育,2006(1):39-40.

[3]Bryan Clark, Todd Deshane. Xen and the Art of Repeated Research[C]. In USENIX Annual Technical Conference, FREENIXTrack, 2004:135-144.

[4] John L. Hennessy, David A. Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach [M].4版.北京:機械工業(yè)出版社,2007.