梁文娟　杜瑩

摘 要： 操作系統(tǒng)課程是計(jì)算機(jī)專業(yè)考研統(tǒng)考專業(yè)課之一。對(duì)計(jì)算機(jī)統(tǒng)考以來操作系統(tǒng)真題中知識(shí)點(diǎn)數(shù)量和分值分布情況進(jìn)行了分析，結(jié)合分析結(jié)果，給出了結(jié)合考研的操作系統(tǒng)課程教學(xué)方法，并總結(jié)了近幾年的實(shí)踐情況。實(shí)踐證明，這種教學(xué)中融入考研的方法能讓學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)知識(shí)有更深入的理解和掌握，對(duì)計(jì)算機(jī)專業(yè)其他考研課程的教學(xué)具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞： 操作系統(tǒng)； 考研； 教學(xué)； 并發(fā)； 死鎖

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）01-44-03

0 引言

操作系統(tǒng)既是計(jì)算機(jī)學(xué)科一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是計(jì)算機(jī)專業(yè)考研統(tǒng)考的課程之一。課程內(nèi)容豐富，具有知識(shí)點(diǎn)多、概念性強(qiáng)、抽象、實(shí)踐性強(qiáng)、同時(shí)涉及面廣（涉及到計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)/硬件、軟件設(shè)計(jì)、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法、網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容）等特點(diǎn)；課程內(nèi)容主要針對(duì)單機(jī)OS，重點(diǎn)介紹其基本工作原理，同時(shí)也要讓學(xué)生了解實(shí)際操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?；趯W(xué)生學(xué)習(xí)的多重目的，即：不考研的學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程主要是為以后的學(xué)習(xí)和工作打基礎(chǔ)，考研學(xué)生還要為考試做準(zhǔn)備，因此在講授這門課時(shí)一定要注意和考研內(nèi)容的結(jié)合。該課程開設(shè)時(shí)間為大三上學(xué)期，如果授課中能夠結(jié)合考研，那么一定能夠幫助到考研的學(xué)生對(duì)于操作系統(tǒng)課程的復(fù)習(xí)，使他們的學(xué)習(xí)事半功倍。

1 操作系統(tǒng)考研現(xiàn)狀分析及總結(jié)

為了在操作系統(tǒng)課程教學(xué)中很好地結(jié)合考研，有必要對(duì)近幾年的操作系統(tǒng)考研真題進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。

1.1 現(xiàn)狀分析

操作系統(tǒng)課程考研的內(nèi)容從資源管理的角度主要有操作系統(tǒng)概述、進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、設(shè)備管理、文件管理和接口等幾大塊內(nèi)容[1-2]。筆者對(duì)計(jì)算機(jī)統(tǒng)考以來的操作系統(tǒng)課程考試的知識(shí)點(diǎn)分值分布情況作了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

每年出題涉及的更細(xì)化的知識(shí)點(diǎn)如下：

2009年選擇題：并行概念、進(jìn)程調(diào)度算法、死鎖、分區(qū)分配算法、分段地址變換、磁盤調(diào)度算法、IO設(shè)備管理、文件控制塊、文件共享、文件在外存的分配方式；

綜合應(yīng)用題：PV操作和頁式管理機(jī)制的考察；

2010年選擇題：操作系統(tǒng)提供的接口、新進(jìn)程創(chuàng)建、信號(hào)量、進(jìn)程調(diào)度、臨界區(qū)、動(dòng)態(tài)分區(qū)分配算法、頁表機(jī)制、文件外存索引分配方式，目錄，輸入管理等；

綜合應(yīng)用題：磁盤調(diào)度算法、讀盤時(shí)間；頁式管理地址變換、頁面置換算法；

2011年選擇題：進(jìn)程調(diào)度算法、用戶態(tài)和系統(tǒng)態(tài)、線程、銀行家算法、PV操作、缺頁處理、抖動(dòng)、程序的編譯和鏈接、IO軟件層次、單、雙緩沖區(qū)處理時(shí)間分析；

綜合應(yīng)用題：頁式存儲(chǔ)、PV原語、文件在外存的分配方式；

2012年選擇題：用戶態(tài)和系統(tǒng)態(tài)、進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程線程概念、銀行家算法、并發(fā)執(zhí)行時(shí)間分析、虛擬存儲(chǔ)、磁盤調(diào)度、IO軟件層次、終端處理、系統(tǒng)調(diào)用；

綜合應(yīng)用題：頁面置換、文件分配方式；

2013年選擇題：用戶態(tài)和系統(tǒng)態(tài)、開機(jī)啟動(dòng)過程、進(jìn)程調(diào)度、銀行家算法、磁盤讀取時(shí)間、缺頁處理、IO軟件層次、IO控制方式、IO緩沖區(qū)處理時(shí)間計(jì)算、文件刪除、文件在外存的分配方式（2個(gè)）；

綜合應(yīng)用題：PV操作、頁式存儲(chǔ)管理。

1.2 分析總結(jié)

根據(jù)對(duì)上述近五年來的操作系統(tǒng)考研試題的分析，選擇題經(jīng)常考的知識(shí)點(diǎn)如下：

處理機(jī)管理部分：進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程控制、PV操作、銀行家算法、線程概念；

內(nèi)存管理部分：頁式管理（缺頁處理、頁表機(jī)制等）、虛擬存儲(chǔ)、磁盤調(diào)度、分區(qū)分配管理（不太重要）；

設(shè)備管理部分：IO控制方式、IO軟件層次及功能、IO緩沖區(qū)管理（單雙緩沖）；

文件管理部分：文件在外存分配方式、文件共享、目錄管理等；

補(bǔ)充部分：系統(tǒng)態(tài)和用戶態(tài)，開機(jī)啟動(dòng)；

綜合應(yīng)用題部分常出的知識(shí)點(diǎn)有PV原語操作、頁式管理機(jī)制（地址變換、頁面置換等）文件在外存的分配方式等。

2 結(jié)合考研的課程教學(xué)內(nèi)容安排與設(shè)置

結(jié)合考研，我們從教材的選擇、課程內(nèi)容等方面作了相應(yīng)的安排和設(shè)置。

2.1 教材的選用

目前，操作系統(tǒng)課程的教材大概分為兩類：一類是針對(duì)原理進(jìn)行分析和講解，這些教材的優(yōu)點(diǎn)是較為全面，大多數(shù)教材采用此方法，但缺點(diǎn)是比較難以建立整體概念[3]，典型的書本有Tanenbaum，《操作系統(tǒng)：設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》；第二類是以構(gòu)造一個(gè)操作系統(tǒng)為主線，優(yōu)點(diǎn)是通過剖析一個(gè)實(shí)際操作系統(tǒng)深入了解操作系統(tǒng)的原理，進(jìn)而推廣至其他系統(tǒng)[4]，典型的有陳莉君的《Linux操作系統(tǒng)原理與應(yīng)用》，郭玉東的《Linux操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析》[5]等。

我們選擇的教材是《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（第三版）》，由湯小丹、湯子瀛等編寫，西安電子科技大學(xué)出版社出版。該教材適合于初學(xué)者，簡單易懂，內(nèi)容也比較全面，是大多數(shù)考研的指定教材，但缺點(diǎn)是原理性太強(qiáng)，與實(shí)際操作系統(tǒng)結(jié)合有一定的難度，學(xué)生在學(xué)與用之間難以建立聯(lián)系，而且該教材偏重講解算法[2]。對(duì)于這個(gè)缺點(diǎn)我們?cè)诓僮飨到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)做了彌補(bǔ)。

2.2 處理機(jī)管理內(nèi)容教學(xué)分析與思考

處理機(jī)管理是考試的熱門選題，通過第二小節(jié)的分析可以看出，考點(diǎn)即可以出現(xiàn)在選擇題中，也可出在綜合應(yīng)用題中。處理機(jī)管理主要包括進(jìn)程管理和處理機(jī)調(diào)度兩大塊內(nèi)容，這部分是考研的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，因?yàn)檫@部分除了要求掌握基本的概念外，還要求能運(yùn)用這些基本的原理去分析和解決問題，其中PV原語操作、同步控制問題、處理機(jī)調(diào)度算法和死鎖問題都有可能出現(xiàn)在綜合應(yīng)用題中。因此，在我們講到相關(guān)部分時(shí)，在學(xué)時(shí)安排上一定要有保障。

對(duì)進(jìn)程管理內(nèi)容的教學(xué)安排，我們的設(shè)置如下。

⑴ 進(jìn)程和線程定義：講解進(jìn)程的基本特征、進(jìn)程的狀態(tài)及其相互的轉(zhuǎn)換條件和過程，進(jìn)程與線程的區(qū)別和聯(lián)系；這部分出題只可能出選擇題。

⑵ 進(jìn)程控制：掌握進(jìn)程的創(chuàng)建、撤銷、阻塞、喚醒的條件，理解四種原語的執(zhí)行過程，為了加深學(xué)生的理解，我們補(bǔ)充了Unix操作系統(tǒng)中涉及到相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。

⑶ 進(jìn)程同步：要求學(xué)生掌握什么是并發(fā)進(jìn)程間的直接制約以及由直接制約所引發(fā)的進(jìn)程同步，分清什么是私用信號(hào)和公用信息，重點(diǎn)要掌握如何用PV原語操作實(shí)現(xiàn)同步問題，要會(huì)利用PV原語操作來解決經(jīng)典的同步問題。為了幫助學(xué)生理解這部分內(nèi)容，在講授經(jīng)典進(jìn)程同步問題時(shí)，我們補(bǔ)充了讀者-寫者問題的讀者優(yōu)先、讀寫平等和寫者優(yōu)先的記錄性信號(hào)量的解決方法。同時(shí)，我們還結(jié)合PV原語一些典型的練習(xí)題和近幾年的考研真題，專門設(shè)置了一次習(xí)題課，讓學(xué)生對(duì)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固，并對(duì)考研試題中PV信號(hào)量的難易程度進(jìn)行把握。這部分一般會(huì)出現(xiàn)綜合應(yīng)用題。

⑷ 進(jìn)程通信：只需要知道進(jìn)程的通信方式及它們各自的特點(diǎn)即可，所以這部分安排一個(gè)課時(shí)即可。

對(duì)處理機(jī)調(diào)度部分我們主要考慮以下內(nèi)容。

處理機(jī)調(diào)度算法：掌握作業(yè)調(diào)度和進(jìn)程調(diào)度的策略和算法，重點(diǎn)要掌握幾種典型的調(diào)度算法的基本思想、適用的范圍和特點(diǎn)，要能指出各種調(diào)度算法的調(diào)度順序并能計(jì)算它們的周轉(zhuǎn)時(shí)間。這部分在09年的試題中占一個(gè)選擇題，就是對(duì)算法特點(diǎn)的考察，因此，這部分講解完一定要把各種算法放在一起作一個(gè)綜合比較，來幫助學(xué)生加深對(duì)算法的理解。

死鎖：死鎖的定義、死鎖產(chǎn)生的四個(gè)必要條件、熟練掌握死鎖的預(yù)防、死鎖的避免，死鎖解除的原理與方法。

進(jìn)程管理部分的處理機(jī)調(diào)度、PV原語操作、同步問題、死鎖問題等是考試的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，其中利用PV原語操作解決經(jīng)典的同步問題尤為重要，針對(duì)這個(gè)問題的出題比較靈活，考生掌握比較難，但是卻是考試出現(xiàn)頻率較高。

2.3 內(nèi)存管理內(nèi)容教學(xué)分析與思考

內(nèi)存管理也是操作系統(tǒng)的管理功能之一，這部分也是考試的一個(gè)重點(diǎn)，這部分內(nèi)容的考查方式很靈活。我們把重點(diǎn)放在內(nèi)存連續(xù)分配算法、非連續(xù)分配管理方式、虛擬內(nèi)存請(qǐng)求分頁的基本原理，頁面置換算法等內(nèi)容；虛擬內(nèi)存這部分內(nèi)容可以結(jié)合計(jì)算機(jī)組成原理科目中虛擬存儲(chǔ)器來講，這部分往往出綜合應(yīng)用題的可能性較大。

具體的教學(xué)內(nèi)容安排如下。

⑴ 連續(xù)分區(qū)分配管理：連續(xù)分配管理主要是分區(qū)分配管理，這部分內(nèi)容不是很重要，授課時(shí)有一點(diǎn)需要注意，即我們補(bǔ)充了一個(gè)伙伴算法，因?yàn)長inux操作系統(tǒng)當(dāng)中用到了伙伴系統(tǒng)。這部分在2010年的考研真題中出了一道選擇題，考察連續(xù)分區(qū)分配的幾種算法。

⑵ 非連續(xù)分配管理：主要是分頁管理方式、分段管理方式、段頁式管理方式，對(duì)這三種內(nèi)存管理方式的基本思想和實(shí)現(xiàn)原理都一定要講清楚，其次是要理解什么是交換和覆蓋技術(shù)，以及兩者的區(qū)別。

⑶ 虛擬內(nèi)存管理：是重點(diǎn)中的重點(diǎn)，要讓學(xué)生必須弄清楚虛擬內(nèi)存以及它的三個(gè)主要特征，在此基礎(chǔ)上掌握請(qǐng)求分頁存儲(chǔ)管理方式、請(qǐng)求分段式和請(qǐng)求段頁式管理，對(duì)請(qǐng)求分頁管理方式的頁表結(jié)構(gòu)、頁面分配算法和頁面置換算法都要深入理解，特別是考研大綱中列出的幾種頁面置換算法，要能夠畫出各個(gè)算法內(nèi)存中頁面變化情況并能夠計(jì)算缺頁率，尤其要注意掌握抖動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)例，對(duì)于這個(gè)知識(shí)點(diǎn)有可能會(huì)出綜合應(yīng)用題。

內(nèi)存管理部分的重點(diǎn)是虛擬內(nèi)存管理部分，考生要特別重視頁面置換算法和抖動(dòng)現(xiàn)象，要會(huì)計(jì)算缺頁次數(shù)和缺頁率，頁面置換這也是考試中出現(xiàn)頻率很高的一個(gè)內(nèi)容。

2.4 設(shè)備管理內(nèi)容教學(xué)分析與思考

I/O管理重點(diǎn)應(yīng)該放在對(duì)基本概念的掌握，主要是對(duì)基本概念和原理的理解和記憶，出應(yīng)用題的可能性很小。重點(diǎn)掌握四種輸入/輸出控制方式特點(diǎn)及相互比較、中斷處理、SPOOLing系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)，提高性能的緩沖策略等。

2.5 文件管理內(nèi)容教學(xué)分析與思考

文件管理這部分內(nèi)容的重點(diǎn)是文件的幾種邏輯物理結(jié)構(gòu)、目錄的管理和磁盤管理，重點(diǎn)掌握磁盤管理各種調(diào)度算法的基本原理及其應(yīng)用。

文件的物理結(jié)構(gòu)分為連續(xù)分配、鏈接分配和索引分配三種方式，我們需要補(bǔ)充Unix中的混合索引方式，因?yàn)閷?duì)文件的檢索有可能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的查找算法結(jié)合出綜合應(yīng)用題，所以應(yīng)該引起重視。

對(duì)于磁盤管理方法：空閑表法、位示圖法、成組鏈接法，我們只需要介紹這幾種方法分別是如何進(jìn)行磁盤分配和回收的就可以了，其中成組鏈接法是一個(gè)相對(duì)比較難的知識(shí)點(diǎn)。

磁盤調(diào)度算法：需要掌握磁盤訪問時(shí)間由哪幾個(gè)部分組成，每部分時(shí)間如何計(jì)算，這部分出過選擇題，還要掌握各種調(diào)度算法的思想及平均尋道距離的計(jì)算。磁盤調(diào)度算法這部分也出過選擇題。

文件管理部分的重點(diǎn)在文件的物理結(jié)構(gòu)和目錄結(jié)構(gòu)上，這兩個(gè)點(diǎn)都很容易和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容相結(jié)合，所以有可能會(huì)出現(xiàn)跨科目的綜合性題目，考生應(yīng)當(dāng)引起重視。對(duì)于操作系統(tǒng)的概述和I/O管理部分，考生要注重基本概念的掌握，這兩個(gè)部分應(yīng)該出大題的可能性不大。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)操作系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，提出了結(jié)合考研的操作系統(tǒng)教學(xué)方法，并給出了結(jié)合考研的課程內(nèi)容的教學(xué)分析和思路，并已經(jīng)實(shí)施。從實(shí)施的效果上看，這種教學(xué)方法能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)操作系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，取得了良好的教學(xué)效果。同時(shí)從這幾屆的考研情況看，四門專業(yè)課中的操作系統(tǒng)部分普遍得分較高。不考研的學(xué)生也同樣得到了提高，能讓他們對(duì)操作系統(tǒng)知識(shí)有更深入的理解和掌握，有助于他們理解實(shí)際操作系統(tǒng)的內(nèi)容。這種教學(xué)方法對(duì)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域其他考研課程的教學(xué)具有一定的借鑒作用。

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