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        基于實例的進程同步教學(xué)模型的研究與構(gòu)建

        2016-11-11 08:47:54王舉輝謝印寶張艷華
        考試周刊 2016年86期

        王舉輝++謝印寶++張艷華

        摘 要: 本文針對操作系統(tǒng)教學(xué)中的重點和難點——進程同步的學(xué)習(xí),提出一個完整的進程同步教學(xué)模型。首先通過生活中的例子理解概念;其次通過游戲理解進程同步機制;最后通過教學(xué)模型實現(xiàn)進程同步的應(yīng)用。通過在實際中的應(yīng)用,該解決進程同步問題的思路和模型證明是有效的。

        關(guān)鍵詞: 進程同步 共享資源 相互合作 教學(xué)模型 P、V操作

        操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的核心軟件之一,現(xiàn)代計算機離不開操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)課程是計算機應(yīng)用人員深入了解和使用計算機的必備知識,是進行系統(tǒng)軟件開發(fā)的理論基礎(chǔ),也是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門理論性較強的主干課程,很多學(xué)校都將該門課程作為重點課程建設(shè)。因此,提高該門課程的教學(xué)質(zhì)量對于培養(yǎng)合格的計算機專業(yè)人員是至關(guān)重要的,如何學(xué)好操作系統(tǒng)是每個教師學(xué)生所關(guān)心的。

        長期以來,許多院校的師生都反映操作系統(tǒng)的課程看起來比較容易,但在學(xué)習(xí)過程中感覺枯燥、難講、難學(xué),尤其是進程同步方面的知識,是整個操作系統(tǒng)教學(xué)中的重點和難點,往往學(xué)完整個操作系統(tǒng)課程還是不理解、不會解決進程同步問題。很多教師在這方面都進行了探索。牛欣源[1]為進程同步問題構(gòu)建了一個較通用的設(shè)計實現(xiàn)模型,主要分為三個方面:(1)分析獨占資源的資源管理,利用信號量及其P、V操作實現(xiàn)資源管理;(2)利用資源管理基本方式,構(gòu)建能夠描述同步、互斥問題的模型;(3)應(yīng)用該模型,解決經(jīng)典同步案例。王文磊等[2]討論了經(jīng)典進程同步問題的研究與實現(xiàn),并實現(xiàn)了多線程下的進程同步。筆者根據(jù)自身及整個教學(xué)團隊多年的教學(xué)、教改經(jīng)驗,提出了一整套利用信號量機制解決進程同步問題的思路、模型,為教師提供了便利,減輕了初學(xué)者的負擔(dān)。

        一、通過生活實例理解進程同步的概念

        在解決進程同步問題之前,首先要明確一個概念:進程同步。湯小丹[3]等在《計算機操作系統(tǒng)(第三版)》關(guān)于進程同步的描述:進程同步的主要任務(wù)是對多個相關(guān)進程在執(zhí)行次序上進行協(xié)調(diào),以使并發(fā)執(zhí)行的諸進程之間能有效地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。從以上定義可以看出,進程同步解決的是進程間的執(zhí)行次序問題,目的是使各進程能有效地共享資源和相互合作。衍伸看,進程同步問題中存在兩類問題:同步和互斥。同步是由于相互合作而產(chǎn)生的,互斥是因為共享資源而產(chǎn)生的。解決了同步和互斥,就解決了進程同步問題。

        但是,由于操作系統(tǒng)本身的抽象性,學(xué)生理解同步和互斥并不是一件容易的事情,尤其是同步。將抽象變?yōu)榫唧w,理解起來就容易得多。在實際教學(xué)中,我們會將現(xiàn)實生活中與學(xué)生關(guān)系密切的事件作為例子,幫助大家理解概念。對于同步,由于體現(xiàn)的是相互合作進程之間的關(guān)系,可以運動會中的接力比賽為例,第一棒的學(xué)生發(fā)令槍一響,按照各自的速度向前奔跑,而第二棒的學(xué)生也想早點跑,但沒有接到棒之前,只能等待,只要接到棒,就可以按照自己的速度想跑多快就跑多快。在這個過程中既體現(xiàn)了相互合作學(xué)生(進程)之間的次序問題,又體現(xiàn)了進程的異步性。同步的提出就是為了解決進程執(zhí)行過程中的異步性。第二棒的學(xué)生不管跑多快,他受到第一個學(xué)生的制約,即直接制約關(guān)系。同步進程的執(zhí)行是有固定次序的,必須區(qū)分先后。不管什么時間執(zhí)行,都必須按照既定的次序。

        對于互斥,是由于共享資源而產(chǎn)生的,相對說好理解。但為了后面進程同步的應(yīng)用,也可以舉個實例。例如,學(xué)生宿舍共用水龍頭的問題。水龍頭屬于臨界資源,一段時間只允許一個同學(xué)(進程)訪問。但是,對水龍頭的使用是沒有固定次序的,只要保證一段時間內(nèi)只有一個同學(xué)(進程)使用就可以。在某個同學(xué)使用的過程中,其他同學(xué)可以SLEEP(或BLOCK)(同步進制中的忙則等待),不需要不斷地看別人用完了沒有,等別人用完可以將他WAKEUP。而且,當(dāng)一個人用完后要讓給別人,不能鎖起來(同步機制中的空閑讓進)。使用水龍頭的學(xué)生盡量快,不要等到上課了還有學(xué)生沒洗(同步進制中的有限等待)。如果一個同學(xué)在洗的過程中被人叫走,那么水龍頭要讓給別人。(同步機制中的讓權(quán)等待)。這個例子因為非常貼近生活,學(xué)生可以在生活中注意觀察、體會,以加深對互斥和進程同步的理解。

        通過上面的與同學(xué)關(guān)系密切的生活片段,可以讓學(xué)生更深刻地理解進程同步,同時理解相關(guān)的概念。最后總結(jié):互斥是一種特殊的同步,雖沒有固定的執(zhí)行次序,但一旦某個進程使用臨界資源,其他進程必須等待。同步是有固定次序的。

        二、通過游戲理解進程同步機制

        這里仍然以經(jīng)典的進程同步機制—信號量機制講起。

        信號量本身不難理解,我們可以將它與生活中的紅綠燈(信號燈)聯(lián)系起來,紅燈停,綠燈行。但是,在應(yīng)用信號量的過程中,許多學(xué)生還是難以理解進程同步中的停和行是怎么回事,是如何控制的??菰锏闹v解不如做游戲掌握得快。為此,我們設(shè)計了一個課堂游戲幫助大家理解信號量的應(yīng)用,以體驗進程執(zhí)行中的“?!焙汀靶小?。

        游戲設(shè)置:(1)放蘋果和取蘋果的同學(xué)各一組,每組各三人(相當(dāng)于兩組進程);(2)兩個空盒子,每個只能放一個蘋果(相當(dāng)于臨界資源,可以認為是包含多個緩沖區(qū)的緩沖池);(3)一個S,用于取放蘋果的同學(xué)互斥訪問盒子,兩個S1,用于控制放蘋果的,兩個S2,用于控制取蘋果的;(4)初始狀態(tài):兩個S1放在放蘋果的一方的桌子上,兩個S2放在盒子里,S放在另一張桌子上。

        規(guī)則:(1)放蘋果的學(xué)生必須先拿到一張S1后再去拿S,兩張都拿到才能放蘋果,其中任何一張拿不到都需要等(阻塞);(2)取蘋果的學(xué)生必須先拿到一張S2再去拿S,兩張都拿到才能取蘋果,其中任何一張拿不到都需要等(阻塞);(3)放蘋果的學(xué)生每次放完蘋果將S1放到相應(yīng)的盒子上,并將S放回原處,同時將該盒子上原有的S2放到取蘋果的同學(xué)一端;(4)取蘋果的學(xué)生每次取完蘋果將S2放到相應(yīng)的盒子上,并將S放回原處,同時將該盒子上原有的S1放到放蘋果的同學(xué)一端;(5)在取放蘋果的過程中,每個學(xué)生按照自己的速度向前行(體現(xiàn)并發(fā)進程的異步性)。

        在這個游戲中,必須先放蘋果才能取蘋果(可以取蘋果的S2初始放在盒子里),體現(xiàn)了進程之間的合作(同步);對盒子的訪問必須先拿到S,一段時間只有一個學(xué)生能拿到,體現(xiàn)了對臨界資源的互斥訪問。另外,在游戲中還體現(xiàn)出當(dāng)同步信號量和互斥信號量同時出現(xiàn)時,要先同步(先拿S1),后互斥(再拿S),以免死鎖。

        通過上述游戲,學(xué)生很容易理解信號量的使用,并進一步理解了進程的同步和互斥。該游戲可以多玩幾次,每次完成后作為獎勵將蘋果送給參與的學(xué)生。

        三、通過進程同步模型解決進程同步的應(yīng)用

        通過前面的講解,同學(xué)們對進程同步的相關(guān)概念已經(jīng)有了深入的了解,但是實際應(yīng)用起來還是覺著無從下手。為此我們在實踐的基礎(chǔ)上建立了一個利用信號量機制解決進程同步問題的模型,通過這個模型,學(xué)生可以比較容易地實現(xiàn)進程同步的應(yīng)用,對初學(xué)者有幫助。具體模型包括:

        (一)描述進程的執(zhí)行過程。

        這一步比較簡單,可以用自然語言描述,也可以用偽代碼描述。

        (二)分析進程間的相關(guān)性。

        進程同步所關(guān)注的是相關(guān)進程間的執(zhí)行次序問題,進程間沒有關(guān)系的動作,或者說屬于進程自己的行為,不需要加以協(xié)調(diào)。同時,分析進程間哪些動作具有相關(guān)性,也是后面分析進程間存在哪些制約關(guān)系及將P、V操作放到合適位置的基礎(chǔ)。

        (三)分析相關(guān)進程存在的關(guān)系,定義信號量。

        這一步需要分析相關(guān)進程之間存在的關(guān)系,根據(jù)關(guān)系定義信號量并給出信號量的初值。

        1.分析進程間的關(guān)系。相關(guān)進程之間存在著兩種關(guān)系:因相互合作而產(chǎn)生的直接制約關(guān)系和因共享資源而產(chǎn)生的間接制約關(guān)系。直接制約即同步,間接制約即互斥。那么,在具體的問題中,我們就從這兩種關(guān)系入手,看看問題中到底存在著相互合作還是共享資源,或者二者兼有。判斷相關(guān)進程之間是否存在著共享資源相對比較簡單,也比較明顯。只要這類資源是進程競爭的對象,就是共享資源,例如同宿舍同學(xué)對水龍頭的競爭。

        對于因相互合作而產(chǎn)生的直接制約關(guān)系,即同步,各進程之間一定存在著固定的執(zhí)行次序,可分為兩種情況。一種為簡單的同步,即進程中的相關(guān)動作之間只存在簡單的先后次序關(guān)系,可以通過前驅(qū)圖來描述,誰在前驅(qū)位置,誰在后繼位置一目了然。例如運動會中的接力賽。第二種為較復(fù)雜的同步,各進程間相關(guān)動作彼此影響,互相制約。這一過程通常是循環(huán)的過程。例如取放蘋果的過程,取蘋果受放蘋果的制約,放蘋果受取蘋果的制約。

        2.定義信號量。根據(jù)上述分析,對于因共享資源而產(chǎn)生的互斥,有幾類資源就設(shè)置幾個相應(yīng)的信號量;對于因相互合作而產(chǎn)生的同步,對應(yīng)在前驅(qū)圖中,存在幾對前驅(qū)關(guān)系,就設(shè)置幾個信號量;對于比較復(fù)雜的前驅(qū)關(guān)系,除了上面設(shè)置的信號量之外,還要考慮處于前驅(qū)位置的動作的執(zhí)行條件,即設(shè)置相應(yīng)的信號量控制前驅(qū)位置的執(zhí)行。需要注意的是,設(shè)置信號量時要明確指出信號量的物理含義。

        3.定義信號量的初值。初值即信號量在問題中的初始狀態(tài)的值,這里問題的初始狀態(tài)是關(guān)鍵。信號量的初值可分為三類:1,0,n。1代表臨界資源,0表示簡單的前后次序,n表示需要n個這類的資源。如果是臨界資源,初值為1,但如果問題中有多個同樣的臨界資源,初值即為相應(yīng)的個數(shù),例如三個打印機,信號量的初值即為3。如果問題中是描述簡單的前驅(qū)關(guān)系(相互合作)的,信號量初值固定為0;對于復(fù)雜的前驅(qū)關(guān)系,控制前驅(qū)動作執(zhí)行的信號量初值通常為資源的數(shù)量。

        (四)將P、V操作放在合適的位置。

        這是信號量的應(yīng)用中較難的一個步驟,尤其是P操作的位置,如果不當(dāng),或者不能實現(xiàn)相互合作進程之間的同步或?qū)εR界資源的互斥訪問,更嚴重的會造成死鎖。

        需要注意的是,P、V操作必須成對出現(xiàn),有一個P操作就有一個V操作。當(dāng)進程中涉及多個P操作的時候,要注意執(zhí)行順序。若同時出現(xiàn)關(guān)于同步的P操作和關(guān)于互斥的P操作,則同步P操作放在互斥P操作之前前面;執(zhí)行V操作雖然不會造成死鎖,在進程中的兩個V操作的位置一般不需特別注意,但V操作的順序可能會延遲進程的推進,因此在使用完互斥信號量后要及時執(zhí)行相應(yīng)的V操作。關(guān)于同步的P、V操作要放在不同的進程中,關(guān)于互斥的P、V操作要放在同一進程中。

        對于互斥,只要在每個進程中訪問臨界資源之前加上相應(yīng)的P操作即可,訪問完加上相應(yīng)的V操作;對于同步,由于可以用前驅(qū)圖表示,那么在前驅(qū)圖中后繼位置的語句之前加上相應(yīng)的P操作,而在前驅(qū)位置的語句之后加上V操作。

        簡單來說,進程中想控制哪條(或哪幾條)語句就在之前加上P操作。這里的控制包括互斥進程對共享資源的訪問控制及合作進程對執(zhí)行的先后次序的控制。當(dāng)一個進程中某個動作要執(zhí)行的時候,只要需要判斷能不能執(zhí)行,就在之前加上P操作,由P操作幫助進程判斷。

        四、總結(jié)與展望

        本文主要介紹了操作系統(tǒng)中課程中的一個重點和難點—進程同步的學(xué)習(xí)思路和解決問題的模型,學(xué)生使用該模型后,對相關(guān)概念的理解更深刻,利用信號量機制解決進程同步問題也有章可循。因為進程同步問題比較難懂,即使概念理解了應(yīng)用起來也覺得較難,所以在介紹的過程中除了按上述步驟進行外,還可將該模型應(yīng)用于現(xiàn)實生活中比較有趣或很貼近生活的例子。這樣,學(xué)生在理解和掌握操作系統(tǒng)原理中的一些重要而抽象的概念和難點問題時就變得容易,也增加學(xué)習(xí)的樂趣。當(dāng)然,進程同步畢竟是個難點,需要多做練習(xí),在練習(xí)的過程中進一步升華。這種基于實例的教學(xué)方法可推廣到操作系統(tǒng)的其他知識的學(xué)習(xí)中。

        參考文獻:

        [1]牛欣源.進程同步的資源管理模型構(gòu)建與應(yīng)用[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2010(6).

        [2]王文磊,徐汀榮.經(jīng)典進程同步問題的研究與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計,2006(12).

        [3]湯小丹,梁紅兵,哲鳳屏,等.計算機操作系統(tǒng)(第三版)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007:5.

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