摘 要：計算機(jī)操作系統(tǒng)課程由于概念抽象，較難理解和掌握，因而課程實驗對于加強(qiáng)概念的理解顯得尤為重要。死鎖是該課程的一個非常核心的概念，本文設(shè)計了一個基于windows環(huán)境下線程機(jī)制的死鎖模擬教學(xué)實驗，程序簡單，易于實現(xiàn)和理解。實踐表明，該實驗在教學(xué)過程中收到了良好效果。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)死鎖； 教學(xué)實驗線程

中圖分類號: G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)03(c)-0000-00

計算機(jī)操作系統(tǒng)課程是計算機(jī)本科專業(yè)的一門專業(yè)核心課，也是一門考研課程。該課程由于涉及到操作系統(tǒng)的深層次概念和原理，因而對于大多數(shù)學(xué)生而言，較難理解和掌握。正由于該課程的重要性，很多高校研究人員對該課程的教學(xué)方法進(jìn)行了深入探討，如文獻(xiàn)[1]，[2]。而目前的操作系統(tǒng)實驗教材雖然不少[3][4]，但很少有設(shè)計實驗直接對死鎖現(xiàn)象進(jìn)行模擬的。本文基于線程機(jī)制利用windows環(huán)境下API函數(shù)實現(xiàn)了一個死鎖現(xiàn)象的構(gòu)建和模擬實驗，算法簡單，易于被學(xué)生理解，教學(xué)中可操作性強(qiáng)。

1 死鎖的基本概念

設(shè)系統(tǒng)中存在一組進(jìn)程（2個或2個以上進(jìn)程），其中每一個進(jìn)程都占用了某些資源，而又都在等待其中另一個進(jìn)程所占用的資源，如果系統(tǒng)無外力作用，這種等待永遠(yuǎn)不會結(jié)束，則稱系統(tǒng)出現(xiàn)了“死鎖”，或說這組進(jìn)程處于“死鎖”狀態(tài)。

死鎖是因并發(fā)進(jìn)程競爭資源而引起的一種現(xiàn)象，并發(fā)進(jìn)程對多個資源的共享與競爭有可能導(dǎo)致死鎖。死鎖可以在2個或多個進(jìn)程之間發(fā)生，也可以在系統(tǒng)全部進(jìn)程之間產(chǎn)生。死鎖是一種與時間有關(guān)的錯誤，在并發(fā)系統(tǒng)中，死鎖可以在進(jìn)程通信過程中以及在用信號量作同步工具時，由于P、V操作順序不當(dāng)而產(chǎn)生。

因此，產(chǎn)生死鎖的原因是，一方面是由于多進(jìn)程共享的資源不足而引起競爭資源；另一方面是由于進(jìn)程在運(yùn)行過程中推進(jìn)順序不合法。

2 實驗內(nèi)容設(shè)計

問題描述：設(shè)有一個倉庫存有50箱貨物，需要請若干搬運(yùn)工人搬走。本實驗通過兩個線程模擬完成2個搬運(yùn)工人合作搬運(yùn)貨物的過程。

一方面，利用關(guān)鍵代碼段（臨界區(qū)）實現(xiàn)線程同步；另一方面，模擬實現(xiàn)線程死鎖。利用線程死鎖來讓學(xué)生體會進(jìn)程死鎖的本質(zhì)概念。實驗采用windows下的Visual C++平臺的Console Application進(jìn)行。

通過本次實驗，可以幫助學(xué)生熟悉VC下關(guān)鍵代碼段（即臨界區(qū)），和相關(guān)API函數(shù)。分析線程同步的參考代碼，分析運(yùn)行結(jié)果。理解線程同步的概念。

實驗中，首先給學(xué)生提供一段初始程序，該程序可以實現(xiàn)2個搬運(yùn)工線程正常合作搬運(yùn)貨物的過程。這樣，既可以減少學(xué)生實驗的難度，提高實驗效率，又可以讓學(xué)生將實驗的注意力集中到對同步和死鎖問題的理解上去。

然后，要求學(xué)生進(jìn)一步調(diào)試和修改代碼，并思考以下兩個問題：

①如何修改，使得搬運(yùn)線程1會始終搬運(yùn)貨物，而搬運(yùn)線程2始終得不到搬運(yùn)貨物的機(jī)會？

②如果對本次實驗給出的參考代碼進(jìn)行修改，制造線程死鎖現(xiàn)象？

2.1初始程序及分析

初始程序如下：

#include

#include

DWORD WINAPI FuncProc1(LPVOID

lpParameter);//thread data

DWORD WINAPI FuncProc2(LPVOID

lpParameter);//thread data

int products=50;//貨物總數(shù)

CRITICAL_SECTION csA;

void main()

{

HANDLE hThread1;

HANDLE hThread2;

hThread1=CreateThread(NULL，0，F(xiàn)uncProc1，NULL，0，NULL);//創(chuàng)建進(jìn)程

hThread2=CreateThread(NULL，0，F(xiàn)uncProc2，NULL，0，NULL);

CloseHandle(hThread1);

CloseHandle(hThread2);

InitializeCriticalSection(csA);//創(chuàng)建臨界區(qū)對象

Sleep(4000);

DeleteCriticalSection(csA);//程序退出前釋放臨界區(qū)對象資源

}

DWORD WINAPI FuncProc1(LPVOID lpParameter)//thread data

{

while(TRUE)

{

EnterCriticalSection(csA);//判斷能否進(jìn)臨界區(qū)

Sleep(1);

if(products>0)

{

Sleep(1);

cout<<”thread1 move product:”<

LeaveCriticalSection(csA);//釋放臨界區(qū)對象

}

else

{

LeaveCriticalSection(csA);

break;

}

}

return 0;

}

DWORD WINAPI FuncProc2(LPVOID lpParameter)//thread data

{

while(TRUE)

{

EnterCriticalSection(csA);

Sleep(1);

if(products>0)

{

Sleep(1);

cout<<\"thread2 move product:\"<

LeaveCriticalSection(csA);

}

else

{

LeaveCriticalSection(csA);

break;

}

}

return 0;

}

程序運(yùn)行結(jié)果及簡要分析如下，

經(jīng)過編譯運(yùn)行后，輸出如下結(jié)果：

thread2 move product:50

threadl move product:49

thread2 move product:48

threadl move product:47

thread2 move product:46

threadl move product:45

……

thread2 move product:2

threadl move product:1

請按任意鍵繼續(xù). .

臨界區(qū)被占用的時間一般不允許過長，只要進(jìn)入臨界區(qū)的線程還沒有離開，其他所有試圖進(jìn)入此臨界區(qū)的線程都會被掛起而進(jìn)入到等待狀態(tài)，并會在一定程度上影響程序的運(yùn)行性能。尤其需要注意的是不要將等待用戶輸入或是其他一些外界干預(yù)的操作包含到臨界區(qū)。如果進(jìn)入了臨界區(qū)卻一直沒有釋放，同樣也會引起其他線程的長時間等待。即，必須確保EnterCriticalSection（）語句和與之匹配的LeaveCriticalSection（）語句都能夠被完整執(zhí)行到?？梢酝ㄟ^添加結(jié)構(gòu)化異常處理代碼來確保LeaveCriticalSection（）語句的執(zhí)行。雖然臨界區(qū)同步速度很快，但卻只能用來同步本進(jìn)程內(nèi)的線程，而不可用來同步多個進(jìn)程中的線程。

2.2 構(gòu)建死鎖現(xiàn)象

怎樣修改這個程序，才有可能使其產(chǎn)生死鎖呢？關(guān)鍵在于臨界區(qū)的個數(shù)要多于一個。換句話說，只要臨界區(qū)數(shù)大于1，并且線程數(shù)多于1，就有可能出現(xiàn)死鎖。

其源程序代碼修改如下：

DWORD WINAPI FuncProc1(

LPVOID lpParameter);

DWORD WINAPI FuncProc2(

LPVOID lpParameter);

int products=50;

CRITICAL_SECTION csA;

CRITICAL_SECTION csB;

void main()

{

HANDLE hThread1;

HANDLE hThread2;

hThread1=CreateThread(NULL，0，F(xiàn)uncProc1，NULL，0，NULL);//創(chuàng)建線程

hThread2=CreateThread(NULL，0，F(xiàn)uncProc2，NULL，0，NULL);

CloseHandle(hThread1);

CloseHandle(hThread2);

InitializeCriticalSection(csA);//創(chuàng)建臨界區(qū)對象

InitializeCriticalSection(csB);

Sleep(4000);

DeleteCriticalSection(csA);//程序退出前釋放臨界區(qū)對象資源

}

DWORD WINAPI FuncProc1(

LPVOID lpParameter)

{

while(TRUE)

{

EnterCriticalSection(csA);//判斷能否進(jìn)入臨界區(qū)

Sleep(1);

if(products>0)

{EnterCriticalSection(csB);

Sleep(1);

cout<<\"threadl move product:\"<

LeaveCriticalSection(csA);//釋放臨界區(qū)對象所有權(quán)

}

else

{ LeaveCriticalSection(csA);

break;

}

}

return 0;

}

DWORD WINAPI FuncProc2(

LPVOID lpParameter)

{

while(TRUE)

{

EnterCriticalSection(csA);

Sleep(1);

if(products>0)

{EnterCriticalSection(csA);

Sleep(1);

cout<<\"thread2 move product:\"<

LeaveCriticalSection(csB);

}

else

{LeaveCriticalSection(csA);

break;

}

}

return 0;

}

由此我們再引導(dǎo)學(xué)生回顧產(chǎn)生死鎖的必要條件：

①互斥使用資源條件；

②占有和等待條件；

③不剝奪條件；

④循環(huán)等待條件。

可以發(fā)現(xiàn)，兩個搬運(yùn)線程之所以產(chǎn)生死鎖，正是滿足了以上死鎖的必要條件。

3 討論

由線程概念擴(kuò)展到進(jìn)程概念。當(dāng)系統(tǒng)中有2個甚至多個臨界區(qū)，并且多個進(jìn)程同時共享這些臨界區(qū)時，進(jìn)程之間因為資源競爭關(guān)系很可能會發(fā)生死鎖，使死鎖發(fā)生的幾率增大。此時，我們可以通過以下思路來預(yù)防死鎖，即通過給每個進(jìn)程所需要的資源（臨界區(qū)）進(jìn)行編號，并且讓進(jìn)程在申請這些資源時，采取按序申請的原則（序號從小到大或從大到?。┲鹨簧暾垼@樣，可以在一定程度可以預(yù)防死鎖，使系統(tǒng)中各程序能正常運(yùn)行下去。

這一思想正是操作系統(tǒng)教材中提出的有序資源分配法，由此，我們將死鎖的產(chǎn)生、過程和預(yù)防辦法都進(jìn)行了簡要分析。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一個基于線程機(jī)制的操作系統(tǒng)課程的死鎖模擬教學(xué)實驗，通過本實驗的學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生達(dá)到以下實驗效果：

（1）理解線程的概念；

（2）熟悉進(jìn)程、線程同步的概念；

（3）深刻理解死鎖的本質(zhì)；

（4）深入理解操作系統(tǒng)對多線程調(diào)度的管理；

（5）深刻理解臨界區(qū)和互斥的概念。

并由此舉一反三，延伸到進(jìn)程死鎖的概念。經(jīng)教學(xué)實驗的實踐，學(xué)生通過本實驗加深了對死鎖的概念的理解和掌握，收效良好。

參考文獻(xiàn)

[1]馬曉慧。操作系統(tǒng)課程教學(xué)方法探索[J]，計算機(jī)教育，2011

[2]劉曉平，陳欣，李琳，路強(qiáng)，田衛(wèi)東。面向操作系統(tǒng)課程的“啟發(fā)—探究式”教學(xué)方法初探[J]。計算機(jī)教育，2011

[3]王煜，張明，劉振鵬。操作系統(tǒng)習(xí)題解答與實驗指導(dǎo)，中國鐵道出版社，2004