張霞　谷淑化　張求明

摘 要：操作系統(tǒng)是信息相關(guān)專業(yè)的重要的核心課程之一。處理機(jī)管理部分是操作系統(tǒng)課程中的重中之重，處理機(jī)管理主要?dú)w結(jié)為對(duì)進(jìn)程的管理。而進(jìn)程同步問題是進(jìn)程管理中的重要部分。一直以來，進(jìn)程同步問題都是操作系統(tǒng)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該文針對(duì)合作進(jìn)程的執(zhí)行順序類進(jìn)程同步問題探討操作系統(tǒng)課程的教學(xué)方法，總結(jié)教師在教學(xué)實(shí)踐當(dāng)中的寶貴經(jīng)驗(yàn)，旨在提高學(xué)生對(duì)用信號(hào)燈機(jī)制解決進(jìn)程同步問題的理解和掌握。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；進(jìn)程同步；合作進(jìn)程的執(zhí)行順序；信號(hào)燈；P操作；V操作

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）09-0183-02

1引言

操作系統(tǒng)作為信息類相關(guān)專業(yè)的核心課程，課程內(nèi)容龐雜、涉及面廣、知識(shí)點(diǎn)多、實(shí)踐性強(qiáng)，概念多而抽象，不容易理解。學(xué)生很難掌握一些重要知識(shí)點(diǎn)。因此需要加強(qiáng)重要知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)方法研究，以提高教學(xué)質(zhì)量。

進(jìn)程同步是操作系統(tǒng)課程中處理機(jī)管理的核心問題之一，是操作系統(tǒng)的核心知識(shí)點(diǎn)，是教學(xué)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是考研的重點(diǎn)考核內(nèi)容，因此學(xué)生能否很好地理解并掌握這部分內(nèi)容是影響教學(xué)效果的關(guān)鍵。

在多年的操作系統(tǒng)課程的教學(xué)實(shí)踐中，信號(hào)燈和P、V操作問題一直是困擾老師和學(xué)生的一個(gè)難點(diǎn)。概念很容易講，老師很清楚如何去解決，但如何讓學(xué)生很輕松容易地去理解和解決類似的問題，這是操作系統(tǒng)教學(xué)和學(xué)習(xí)過程中的一個(gè)難點(diǎn)。

本文針對(duì)進(jìn)程同步問題探討操作系統(tǒng)課程的教學(xué)方法，總結(jié)教學(xué)實(shí)踐中的寶貴經(jīng)驗(yàn)，旨在提高學(xué)生對(duì)用信號(hào)燈機(jī)制實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步問題的理解和把握。

2 進(jìn)程同步的基本概念

2.1 進(jìn)程同步

所謂進(jìn)程同步就是并發(fā)進(jìn)程在一些關(guān)鍵點(diǎn)上可能需要相互等待與互通消息，這樣的相互制約關(guān)系稱為進(jìn)程同步。同步意味著兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程之間根據(jù)它們一致同意的協(xié)議進(jìn)行相互作用。

2.2 進(jìn)程同步的基本類型

在操作系統(tǒng)中，有各種各樣進(jìn)程同步，按特點(diǎn)不同一般可將同步問題分為兩類：

（1）各進(jìn)程合作完成某工作的邏輯順序；

（2）對(duì)系統(tǒng)資源的共享的合作進(jìn)程的同步。

本文主要講解第一類進(jìn)程同步問題的解決方法。

3 信號(hào)燈的基本概念

信號(hào)燈的概念是由荷蘭人Dijkstra于1968年提出的，這個(gè)時(shí)期正是操作系統(tǒng)形成的活躍時(shí)期。

他把互斥的關(guān)鍵概念抽象到信號(hào)燈這個(gè)概念中。信號(hào)燈是一個(gè)被保護(hù)的變量，只有P操作、V操作和一種稱為信號(hào)燈初始化操作才能訪問和改變它的值。信號(hào)燈是一個(gè)確定的二元組（s，q），s 是一個(gè)具有非負(fù)初值的整型變量，q是一個(gè)初始狀態(tài)為空的排隊(duì)站。創(chuàng)建信號(hào)燈時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確說明信號(hào)燈 s的意義和初值 （這個(gè)初值絕不能為負(fù)值）。每個(gè)信號(hào)燈都有一個(gè)隊(duì)列，其初始狀態(tài)為空。

P操作：提出申請(qǐng)，檢測所需信號(hào)是否到達(dá)，有可能使一個(gè)進(jìn)程轉(zhuǎn)到等待狀態(tài)。

（1）s值減1；

（2）若相減結(jié)果大于等于0，則進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；

（3）若結(jié)果小于0，則該進(jìn)程掛起。

V操作：釋放信號(hào)，有可能要去喚醒一個(gè)處于等待狀態(tài)的進(jìn)程。

（1）s值加1；

（2）若相加結(jié)果大于0，進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行；

（3）否則，喚醒一個(gè)（或多個(gè)）等待該信號(hào)燈的進(jìn)程，然后本進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。

4 用信號(hào)燈解決進(jìn)程同步的方法

4.1 分析進(jìn)程同步關(guān)系

前趨圖是一種有向無環(huán)圖，可以很好地描述各進(jìn)程在關(guān)鍵點(diǎn)上的同步關(guān)系。每個(gè)進(jìn)程在前趨圖中都跟其它進(jìn)程有相互聯(lián)系，有其直接前趨、直接后繼。如圖1所示P3的直接前趨是P1和P2，P3進(jìn)程必須在P1和P2進(jìn)程執(zhí)行完畢才能開始執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)等待；P3的直接后繼是P4，也就是說P4進(jìn)程的直接前趨是P3進(jìn)程，P4進(jìn)程必須在P3進(jìn)程執(zhí)行完畢才能開始執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)等待。

4.2 信號(hào)燈的設(shè)置

在前趨圖的每一條弧上分別設(shè)置一個(gè)信號(hào)燈，分別代表前一個(gè)進(jìn)程沒有完成，后面一個(gè)進(jìn)程就不能開始。

4.3 信號(hào)燈值的設(shè)置

合作進(jìn)程必有開始和結(jié)束，前面的未結(jié)束后面的就不能開始，所以每個(gè)信號(hào)燈的值都設(shè)置為0。

4.4 程序描述

主程序如下：

main（）

{

定義若干初值為0的信號(hào)燈；

cobegin

P1（）；

P2（）；

P3（）；

……

Pi（）；

……

coend

}

各進(jìn)程的程序描述：

對(duì)于前趨圖中的任意進(jìn)程Pi（i=1……n），我們可以分離出進(jìn)程結(jié)點(diǎn)以及與之相關(guān)聯(lián)的所有關(guān)系如圖2所示，其中：

結(jié)點(diǎn)Pi表示Pi進(jìn)程本身要完成的主要工作；

箭頭指向結(jié)點(diǎn)Pi的弧表示Pi結(jié)點(diǎn)有限定它運(yùn)行的直接前趨，弧上的信號(hào)燈是Pi前趨結(jié)點(diǎn)完成后應(yīng)該發(fā)送給Pi進(jìn)程的完成信號(hào)；

箭頭從結(jié)點(diǎn)Pi引出的弧表示Pi結(jié)點(diǎn)有它限定運(yùn)行的直接后繼，弧上的信號(hào)燈是Pi結(jié)點(diǎn)完成后應(yīng)該發(fā)送給Pi后繼進(jìn)程的完成信號(hào)。

程序描述如下：

Pi（）

{

P（sa1）；......P（sam）； /*依次檢查Pi的直接前趨是否執(zhí)行完畢，若沒有，則等待在相應(yīng)信號(hào)燈的隊(duì)列上。如果Pi進(jìn)程沒有直接前趨，則此處沒有P操作*/

Pi進(jìn)程要完成的主要工作；

V（sb1）；......V（sbn）； /*依次向Pi的后繼進(jìn)程發(fā)送完成信號(hào)。如果Pi進(jìn)程沒有直接后繼，則此處沒有V操作*/

}

5 信號(hào)燈在解決進(jìn)程同步之合作進(jìn)程的執(zhí)行順序問題中的具體應(yīng)用

問題描述：P1、P2、P3、P4進(jìn)程的同步關(guān)系如圖1所示。

5.1 分析同步關(guān)系

前趨圖關(guān)系顯示P3進(jìn)程必須在P1和P2進(jìn)程執(zhí)行完畢才能開始執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)等待；P4進(jìn)程必須在P3進(jìn)程執(zhí)行完畢才能開始執(zhí)行，否則轉(zhuǎn)等待。

5.2 信號(hào)燈設(shè)置

每條弧上分別設(shè)置一個(gè)信號(hào)燈如圖3，s13是表示P1完成后通知P3進(jìn)程開始的信號(hào)燈；s23是表示P2完成后通知P3進(jìn)程開始的信號(hào)燈；s34是表示P3完成后通知P4進(jìn)程開始的信號(hào)燈。

5.3 信號(hào)燈初值設(shè)置

所有信號(hào)燈初值為0。

5.4 程序描述

主程序：

main（）

{

int s13=0；

int s23=0；

int s34=0；

cobegin

P1（）；

P2（）；

P3（）；

P4（）；

coend

}

各進(jìn)程的程序描述：

對(duì)于前趨圖中的任意進(jìn)程P1、P2、P3、P4，我們可以分離出進(jìn)程結(jié)點(diǎn)以及與之相關(guān)的所有關(guān)系如圖4所示。各進(jìn)程對(duì)應(yīng)的程序描述如下：

6 結(jié)束語

信號(hào)燈機(jī)制是操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)并發(fā)進(jìn)程執(zhí)行的有效方法。用信號(hào)燈機(jī)制可以有效地解決進(jìn)程同步與互斥問題，但這一知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握并不容易。

本文著重介紹了在操作系統(tǒng)課程的教學(xué)過程中的一種很好的教學(xué)方法。應(yīng)用一種公式法則來講解用信號(hào)燈機(jī)制解決進(jìn)程同步之合作進(jìn)程的執(zhí)行順序類問題這一核心知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生普遍感覺利用這種求解思路和求解方法能夠比較容易和熟練地解決這類問題，反映良好。

參考文獻(xiàn)：

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