摘要:本文主要以操作系統(tǒng)課程中的前趨圖、進(jìn)程同步問(wèn)題和哲學(xué)家就餐問(wèn)題三個(gè)知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，講述采用Flash技術(shù)動(dòng)態(tài)講解操作系統(tǒng)知識(shí)的方法，同時(shí)闡述Flash技術(shù)對(duì)操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)的重要意義。

關(guān)鍵詞:進(jìn)程;同步;互斥;信號(hào)量;前趨圖;

從20世紀(jì)70年代第一代微機(jī)操作系統(tǒng)誕生到今天，操作系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)有將近40年的歷史了，其更新?lián)Q代也從未停止過(guò):從DOS系統(tǒng)到Windows系列，一直到今天的Windows7，操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)的發(fā)展令人嘆為觀止。同時(shí)，世人對(duì)操作系統(tǒng)知識(shí)的學(xué)習(xí)和技術(shù)提高也在不斷的進(jìn)行著。然而，由于操作系統(tǒng)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活并不貼近，因而理解上難免會(huì)有困難，學(xué)習(xí)起來(lái)也就不是那么的容易。在高等院校中，有限的學(xué)時(shí)安排也直接導(dǎo)致了操作系統(tǒng)知識(shí)學(xué)習(xí)的障礙明顯，所以操作系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式有待改善。利用Flash技術(shù)講解相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)是一個(gè)非常重要的手段，其直觀、生動(dòng)的特點(diǎn)可以有效學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)知識(shí)。

1結(jié)合Flash解釋知識(shí)點(diǎn)

1.1概述

Flash技術(shù)最重要的特點(diǎn)就是問(wèn)題解釋的直觀性和生動(dòng)性，將該技術(shù)用于操作系統(tǒng)課程教學(xué)，可以大大降低知識(shí)介紹的難度。使用Flash制作的課件，不僅操作簡(jiǎn)單，而且交互性強(qiáng)，非常有利于教學(xué)的互動(dòng)[1]。書(shū)本上各種原理的闡述，通過(guò)一段可控制的動(dòng)畫(huà)來(lái)完成，既能簡(jiǎn)化教學(xué)過(guò)程，又能活躍課堂的氣氛、提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。下面的2個(gè)實(shí)例將具體介紹Flash技術(shù)闡釋某些原理的過(guò)程，從而讓我們清晰的看到該技術(shù)的優(yōu)越性。

1.2程序并發(fā)執(zhí)行前趨圖

我們知道，計(jì)算機(jī)大型程序的運(yùn)行通常是由若干個(gè)小的程序段組成，而在執(zhí)行時(shí)，必須按照某種先后順序逐個(gè)執(zhí)行，僅當(dāng)前一個(gè)操作執(zhí)行完畢后才可以執(zhí)行后繼操作。故我們可以得出程序順序執(zhí)行時(shí)的前趨圖，如圖1所示[2]。

圖1描述的前趨關(guān)系為:IiàCiàPi。每個(gè)程序段必須按照輸入(I)、計(jì)算(C)、打印(P)的順序執(zhí)行，一個(gè)程序段執(zhí)行完畢后，下一個(gè)程序段才能開(kāi)始并且按照相同的順序執(zhí)行。

考慮各程序段并發(fā)執(zhí)行，為了減少程序運(yùn)行的時(shí)間，我們應(yīng)當(dāng)使整個(gè)執(zhí)行過(guò)程中的某些步驟并行執(zhí)行，即在執(zhí)行程序1的某個(gè)步驟時(shí)，使程序2的某個(gè)步驟同時(shí)執(zhí)行。而在各個(gè)程序段執(zhí)行過(guò)程中，所占用的計(jì)算機(jī)資源是不同的。例如:輸入步驟占用輸入設(shè)備，如鍵盤(pán);計(jì)算步驟占用處理器;打印步驟占用打印機(jī)。這樣各個(gè)程序段中占用相同計(jì)算機(jī)設(shè)備的步驟顯然不能夠同時(shí)執(zhí)行，只能讓占用不同資源的步驟并行執(zhí)行，而程序段內(nèi)部仍然按照原來(lái)的順序進(jìn)行，如圖2所示[2]。

起初，程序1執(zhí)行其第一個(gè)步驟——輸入，當(dāng)程序1執(zhí)行計(jì)算步驟時(shí)，計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備處于空閑狀態(tài)，故可以讓程序2同時(shí)執(zhí)行其輸入操作，這樣程序1的計(jì)算步驟就和程序2的輸入步驟并發(fā)執(zhí)行了。同理，當(dāng)程序1執(zhí)行到打印步驟，程序2并行執(zhí)行到計(jì)算步驟時(shí)，計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備又一次處于空閑狀態(tài)，故可以使程序3的輸入步驟和程序1的打印步驟、程序2的計(jì)算步驟并發(fā)執(zhí)行。如此進(jìn)行下去，就形成了整個(gè)程序的并發(fā)執(zhí)行過(guò)程。

然而，單純的這樣一張圖，是不能夠讓學(xué)習(xí)者清楚的了解這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的含義，甚至還會(huì)引起誤解，混淆輸入步驟、計(jì)算步驟和打印步驟之間的執(zhí)行關(guān)系。在筆者制作的Flash解釋材料中，完整演示了各個(gè)步驟并行運(yùn)行的情況。

在每個(gè)并行執(zhí)行時(shí)刻，并行執(zhí)行步驟都會(huì)發(fā)光以提示讀者，如圖3所示[3]，程序正好執(zhí)行到三個(gè)程序第一次并行執(zhí)行的時(shí)刻，三個(gè)發(fā)光的進(jìn)程代表它們同時(shí)進(jìn)行，一方面前趨關(guān)系可以通過(guò)進(jìn)程間聯(lián)系的箭頭顯示，另一方面并發(fā)程序塊有哪些也是一目了然的(發(fā)光顯示)。Flash技術(shù)在展現(xiàn)動(dòng)態(tài)發(fā)生過(guò)程的直觀性毋庸贅言。

1.3進(jìn)程同步問(wèn)題

1.3.1概述

在多道程序環(huán)境下，進(jìn)程同步問(wèn)題是一個(gè)非常重要的研究對(duì)象。進(jìn)程同步的主要任務(wù)是對(duì)多個(gè)相關(guān)進(jìn)程在執(zhí)行順序上進(jìn)行協(xié)調(diào)，以使并發(fā)執(zhí)行的諸進(jìn)程之間能夠有效的共享資源和相互合作，從而使程序的執(zhí)行具有可再現(xiàn)性。例如，兩個(gè)用戶(hù)(可以假設(shè)為用戶(hù)A和B)同時(shí)要求對(duì)某個(gè)銀行賬戶(hù)進(jìn)行操作時(shí)，賬戶(hù)內(nèi)原本存有500元，A欲存入200元，B欲取出100元，下面列舉一種可能出現(xiàn)的情況:

(1)A讀出銀行賬戶(hù)存款為500元。

(2)B讀出銀行賬戶(hù)存款為500元。

(3)A存入200元，但是處理結(jié)果還沒(méi)有提交時(shí)(即賬戶(hù)存款沒(méi)有更新為700元)，發(fā)生下一步驟。

(4)B取出100元，并提交更新結(jié)果，即賬戶(hù)存款變?yōu)?00元(因?yàn)锽讀到的余額為500元)。

(5)A提交處理結(jié)果，即賬戶(hù)余額更新為500+200 =700元。

顯然最后的結(jié)果并不符合實(shí)際情況:賬戶(hù)應(yīng)該剩余600元，但實(shí)際卻剩余700元。同樣地，如果對(duì)進(jìn)程的同步運(yùn)行沒(méi)有合理的管理，也會(huì)出現(xiàn)異常的情況。進(jìn)程同步的研究意義也就不言而喻了。

1.3.2經(jīng)典同步問(wèn)題簡(jiǎn)介

在學(xué)者們感興趣的進(jìn)程同步問(wèn)題中，典型的有:“生產(chǎn)者——消費(fèi)者問(wèn)題”、“讀者寫(xiě)者問(wèn)題”和“哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題”。筆者將結(jié)合Flash技術(shù)重點(diǎn)講述“哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題”。

1.4哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題

1.4.1問(wèn)題描述[4]

該問(wèn)題是由Dijkstra提出并解決的經(jīng)典的哲學(xué)家就餐問(wèn)題。該問(wèn)題是描述有五個(gè)哲學(xué)家共用一張圓桌，分別坐在周?chē)奈鍙堃巫由希瑘A桌上有五個(gè)碗和五根筷子，他們的生活方式是交替的進(jìn)行思考和進(jìn)餐。平時(shí)，一個(gè)哲學(xué)家進(jìn)行思考。饑餓時(shí)便試圖取用其左右最靠近他的筷子，只有在他拿到兩根筷子時(shí)才能進(jìn)餐，進(jìn)餐完畢放下筷子繼續(xù)思考。

1.4.2問(wèn)題分析與解決

經(jīng)過(guò)分析可知，放在桌子上的筷子是臨界資源，在一段時(shí)間內(nèi)只允許一位哲學(xué)家使用，為實(shí)現(xiàn)對(duì)筷子的互斥使用，可以用互斥量表示一根筷子，由這五個(gè)信號(hào)量構(gòu)成信號(hào)向量組。描述如下:

在以上的描述中，當(dāng)哲學(xué)家饑餓的時(shí)候，總是先去拿他左邊的筷子，即執(zhí)行wait(chopstick[i])，成功后，再去拿他右邊的筷子，即執(zhí)行wait(chopstick[ (i + 1) mod 5])，成功后，可以進(jìn)餐。進(jìn)餐完畢，又先放下他左邊的筷子，然后再放下他右邊的筷子。雖然以上的方法，可以保證不會(huì)有兩個(gè)以上的哲學(xué)家同時(shí)進(jìn)餐，但是有可能引起死鎖。假如五個(gè)哲學(xué)家同時(shí)拿起左邊的筷子，就會(huì)使五個(gè)信號(hào)量chopstick均為0;當(dāng)他們?cè)僭噲D去拿右邊的筷子時(shí)，都將因無(wú)筷子可拿而無(wú)限期等待。對(duì)于這樣的死鎖問(wèn)題，可以采取以下幾種解決方法:

(1) 至多只允許四位哲學(xué)家同時(shí)去拿左邊的筷子，最終能保證至少有一位哲學(xué)家能夠進(jìn)餐，并在用餐完畢時(shí)釋放他所使用的兩根筷子，從而使更多的哲學(xué)家可以進(jìn)餐。

(2) 僅當(dāng)哲學(xué)家左右兩側(cè)的筷子均可用時(shí)，才允許他拿起筷子進(jìn)餐。此時(shí)，即轉(zhuǎn)換為AND同步問(wèn)題。

(3) 規(guī)定奇數(shù)號(hào)哲學(xué)家先拿他左邊的筷子，然后再去拿他右邊的筷子，而偶數(shù)號(hào)的哲學(xué)家則相反。按此規(guī)定，將是1、2號(hào)哲學(xué)家競(jìng)爭(zhēng)1號(hào)筷子;3、4號(hào)哲學(xué)家競(jìng)爭(zhēng)3號(hào)筷子。即五位哲學(xué)家都先競(jìng)爭(zhēng)奇數(shù)號(hào)筷子，獲得后，再去競(jìng)爭(zhēng)偶數(shù)號(hào)筷子，最后總有一位哲學(xué)家能夠獲得兩根筷子而進(jìn)餐。

1.4.3Flash技術(shù)講解

筆者制作的哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題的材料是，原始問(wèn)題的一個(gè)變種問(wèn)題，其中的共享變量變?yōu)橐浑p筷子和一把叉子，對(duì)應(yīng)的，當(dāng)且僅當(dāng)哲學(xué)家同時(shí)獲得了身邊的一雙筷子和一把叉子時(shí)，才可以進(jìn)餐(問(wèn)題的原理是沒(méi)有變化的)。如圖4所示。

筆者在演示過(guò)程中考慮了所有可能出現(xiàn)的情況，同時(shí)為了便于讀者對(duì)Flash的播放進(jìn)度進(jìn)行控制，也設(shè)置了播放和暫停按鈕。

圖5描述的是第一個(gè)場(chǎng)景，即某哲學(xué)家準(zhǔn)備進(jìn)餐并且身邊的筷子和叉子都可以獲得，此時(shí)，哲學(xué)家可以進(jìn)餐，并且身邊的叉子和筷子屬性更改為不可用，直到該哲學(xué)家進(jìn)餐完畢。

圖6描述的是第二個(gè)場(chǎng)景，即某哲學(xué)家準(zhǔn)備進(jìn)餐，但是身邊的筷子和叉子不能同時(shí)獲得，此時(shí)，哲學(xué)家不可以進(jìn)餐，需要等待。即等待執(zhí)行操作[2]:

wait(fork);

wait(chopsticks);

另外，對(duì)應(yīng)還有2個(gè)場(chǎng)景是上述2種情況下，當(dāng)哲學(xué)家進(jìn)餐完成后，需要放回筷子和叉子，使旁邊的哲學(xué)家有可能進(jìn)餐。

通過(guò)對(duì)所有可能出現(xiàn)情況的解釋?zhuān)覀兝斫饬苏麄€(gè)哲學(xué)家就餐問(wèn)題的過(guò)程。在具體操作過(guò)程中，教師可以通過(guò)交互按鈕對(duì)動(dòng)畫(huà)的播放過(guò)程進(jìn)行控制，到了關(guān)鍵的步驟可以暫停動(dòng)畫(huà)的播放，讓學(xué)生說(shuō)出接下來(lái)發(fā)生的狀況，然后使動(dòng)畫(huà)繼續(xù)播放，以印證學(xué)生回答的正誤。

2總結(jié)

2.1Flash的特點(diǎn)

Flash課件可以動(dòng)態(tài)的展現(xiàn)事情發(fā)展的整個(gè)過(guò)程，對(duì)于操作系統(tǒng)中一些抽象的知識(shí)，用Flash來(lái)進(jìn)行講解，比書(shū)中的圖片解釋效果要好得多。連續(xù)動(dòng)畫(huà)的播放，足夠詳細(xì)闡釋某個(gè)過(guò)程的發(fā)展。適當(dāng)?shù)奶砑右恍┙换ナ桨粹o(如播放、暫停、繼續(xù)等)可以讓讀者自己控制動(dòng)畫(huà)的播放，有利于讀者的自學(xué)。Flash中對(duì)色彩、圖形進(jìn)行合理、巧妙的設(shè)計(jì)，更能滿足讀者的審美需求。Flash生動(dòng)具體的表現(xiàn)能力，使抽象的過(guò)程能夠生動(dòng)具體化，這是所有特點(diǎn)中最重要的。

2.2Flash對(duì)操作系統(tǒng)課堂教學(xué)的意義

在專(zhuān)業(yè)知識(shí)的傳授過(guò)程中，我們的目標(biāo)就是先用最容易理解的方式來(lái)解釋其中的原理，然后再讓學(xué)生結(jié)合自己的理解獲得對(duì)問(wèn)題的全面認(rèn)識(shí)。利用Flash技術(shù)最顯而易見(jiàn)的好處，是將深?yuàn)W繁瑣的操作系統(tǒng)原理，用簡(jiǎn)單的動(dòng)畫(huà)加以解釋說(shuō)明，這樣就大大降低了授課的難度。

在各高校中，由于操作系統(tǒng)課程安排的時(shí)間普遍比較少，同時(shí)學(xué)習(xí)的內(nèi)容又增加了，所以就要求在有限的時(shí)間里完成更多的教學(xué)任務(wù)，這對(duì)教學(xué)方法和教學(xué)方式都提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，課堂上借助書(shū)本、PPT等資料，解釋的過(guò)程也只是先前學(xué)習(xí)過(guò)程的重復(fù)，很難獲得新的理解;對(duì)學(xué)生知識(shí)點(diǎn)理解的檢查，是通過(guò)口頭回答或者上黑板做練習(xí)的方式，既浪費(fèi)時(shí)間又不一定能夠達(dá)到目的;同時(shí)，從前高校的小班教學(xué)也隨著班級(jí)人數(shù)的增加發(fā)生了變化，要在課堂上讓每個(gè)同學(xué)都理解所講的知識(shí)點(diǎn)也就不太現(xiàn)實(shí)了。

然而，通過(guò)Flash技術(shù)的引進(jìn)，很好的解決了上述的問(wèn)題。教師可以合理的控制Flash課件的播放，在關(guān)鍵部分重點(diǎn)解釋(也可以調(diào)節(jié)Flash動(dòng)畫(huà)播放的速度)，在生動(dòng)的展現(xiàn)過(guò)程中，有針對(duì)性的解決疑問(wèn);Flash課件中添加相關(guān)的練習(xí)，在播放的過(guò)程中提出問(wèn)題并解答提問(wèn)，并由播放的結(jié)果加以印證，從而高效的達(dá)到了教學(xué)的目的;對(duì)于簡(jiǎn)單的知識(shí)點(diǎn)，課堂上只需要簡(jiǎn)單介紹，節(jié)省時(shí)間。課后，學(xué)生可以自己演示動(dòng)畫(huà)并結(jié)合書(shū)本學(xué)習(xí)，在相同的課堂時(shí)間，把更多的時(shí)間可以安排在重、難點(diǎn)上。

另外，教師授課過(guò)程也隨著Flash技術(shù)的引入而發(fā)生了變化。從前，上課前教師必須準(zhǔn)備充分的材料，以幫助學(xué)生更順利的掌握知識(shí)點(diǎn);課堂上，甚至還需要在黑板上繪制各種表格圖像，以解決疑難;Flash課件的出現(xiàn)，讓教師只需要控制交互式按鈕，即可達(dá)到教學(xué)的目的。

2.3Flash對(duì)操作系統(tǒng)學(xué)生學(xué)習(xí)的意義

一般來(lái)說(shuō)，學(xué)生掌握知識(shí)的過(guò)程分為兩個(gè)部分，即課堂上的聽(tīng)講和課后的鞏固。在課堂聽(tīng)講后，將不理解的部分做上標(biāo)記，課后可以通過(guò)到圖書(shū)館中查找資料、向同學(xué)、老師請(qǐng)教或者上網(wǎng)等方式來(lái)解決疑惑，從而掌握知識(shí)點(diǎn)。雖然這種傳統(tǒng)的方式有利于學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng)，然而畢竟花費(fèi)了太多的時(shí)間。引入Flash課件后，掌握知識(shí)的過(guò)程仍然是這兩個(gè)部分，但是在課堂上不理解的知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)有所減少，到了課后，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要控制Flash課件的播放，理解的速度必然會(huì)加快，再結(jié)合上課老師的講述和自己做的筆記，學(xué)習(xí)的效率會(huì)顯著的提高。

2.4Flash與操作系統(tǒng)知識(shí)結(jié)合的不足

當(dāng)然，用最自然的方式闡述專(zhuān)業(yè)化的知識(shí)，也不可避免的存在一個(gè)問(wèn)題——生動(dòng)性的降低。Flash本身就是以圖片場(chǎng)景的組合來(lái)表達(dá)意思的，但是專(zhuān)業(yè)化的知識(shí)，必須考慮到學(xué)術(shù)的嚴(yán)謹(jǐn)性，在場(chǎng)景播放中也不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些文字說(shuō)明，有時(shí)還是大量的，這對(duì)Flash的生動(dòng)表達(dá)無(wú)疑是明顯的損害。

綜合來(lái)看，F(xiàn)lash技術(shù)用于操作系統(tǒng)知識(shí)的解釋無(wú)疑還是成功的。

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The Research on Dynamic Teaching Method Based on the Course of Operating System

JU Wei ， XU Yun-long

( School of Computer Science and Technology， Soochow University， Suzhou 215006， China)

Abstract: This paper introduces a teaching method in an operating system course with the using of the Flash technology， which can help us display things in a continuous way， based on three concepts， i.e. Precedence Relation Chart， Problems of Synchronization and The Dining-Philosophers Problem， and emphasizes the significance of Flash technology in the study of the Operating System.

Key words: process; synchronization; mutual exclusion; semaphores; precedence relation chart

(編輯:白杰)