高永強，李振坤

（內蒙古大學計算機學院，內蒙古自治區(qū)呼和浩特 010010）

0 引言

操作系統是計算機類專業(yè)的核心課程，在課程體系中占有重要地位。由于課程內容涉及計算機軟件、硬件等方面知識，理論性強、內容抽象，僅采用課堂講授理論知識的方式，難以使學生深入理解課程內容，容易造成教學效果不佳，學生學習效果不理想的狀況［1］。

為此，國內外學者在教學過程中加入實踐環(huán)節(jié)，使學生能夠更加直觀地了解所學知識的應用場景，以提升學生的實踐動手能力，進而促使學生深入掌握操作系統的課程內容［2-4］。

然而，現階段實踐教學課程設計仍然較為陳舊、缺乏創(chuàng)新，無法達到教學相長的教學效果。因此，本文設計一款核心實驗演示平臺，支持可視化展示多種調度算法的詳細運行過程，并能演示銀行家算法及判斷系統安全狀態(tài)。

1 教學現狀及相關研究

1.1 課程特點

操作系統是計算機類專業(yè)本科階段的核心課程，主要內容包括操作系統的基本原理和實現技術，課程特點具體如下：

（1）內容多、難度大。課程涉及的基礎概念多，內容涉及面廣［5］，涵蓋進程與線程管理、處理機調度、同步互斥、操作系統的接口、內存管理、I/O 管理、文件系統等方面。學生需要學習多門先導課程，課程難度大。

（2）內容抽象。課程知識涉及的理論、概念較多，例如微內核、同步互斥等，學生通常難以深入理解所學知識，導致學習效果較差。

（3）實踐性強。課程中的知識點通常與實踐相互關聯，但現階段所學的課程內容在一定程度上與實際需求相互脫離，導致學生無法利用所學知識解決實際問題，實踐動手能力較差。

1.2 教學現狀

傳統教學方法缺乏除課堂教學及驗證性實驗外的教學嘗試，教師僅通過幻燈片進行知識講解，缺乏相關知識點尤其是核心算法的動態(tài)演示，學生只能在紙上進行手動演算，效果較差。

為此，國內許多學者對操作系統課程的教學研究工作進行探索。例如，朱小軍等［6］和譚舜泉等［7］提出將開源教學操作系統xv6 引入課程實踐教學。李濤等［8］提出利用時序圖比較順序拷貝文件與并發(fā)拷貝文件的區(qū)別。張銳敏等［9］以培養(yǎng)學生能力為目標，對課程進行混合式教學改革。文艷軍等［10］提出一種基于內核調試和抽象精化思想的實驗。雖然，上述研究均在實踐教學中引入新的方法及輔助軟件，但在降低學生學習課程核心算法的難度方面，效果仍然較差。

針對上述問題，本文設計一款操作系統核心實驗演示平臺，創(chuàng)新性地將操作系統的核心算法進行可視化展示，使學生能夠直觀了解所學算法的整個運行過程，在一定程度上降低了學生的學習難度，使學生更容易掌握算法的內在思想。

2 平臺設計與實現

2.1 功能設計

平臺在Windows 環(huán)境下，采用Java JDK、Swing、Eclipse進行開發(fā)，主要包含進程參數設置、調度算法參數設置、調度算法演示及銀行家算法4 個部分。其中，進程參數設置模塊功能為添加或刪除進程，設置進程的到達時間等參數；調度算法參數設置模塊功能為設置作業(yè)調度與進程調度分別使用的算法，設置內存最大作業(yè)數、時間片大小等參數；調度算法演示模塊為整個軟件的核心模塊，該模塊功能包括控制運行過程、運行信息展示及進程信息展示［11-12］；銀行家算法模塊的功能包括數據輸入、安全性檢測、資源請求及執(zhí)行結果展示。具體功能結構圖如圖1所示。

Fig.1 Platform function structure圖1 平臺功能結構

2.2 進程參數設置模塊

通過該模塊對序號、到達時間、服務時間及優(yōu)先級進行初始化設置。其中，進程序號由平臺自動生成，其它參數則需要用戶手動輸入。此外，用戶可手動刪除多余進程。具體參數設置如圖2所示。

Fig.2 Process parameter setting圖2 進程參數設置

2.3 調度算法設置模塊

通過該模塊初始化調度算法的設置。調度算法主要分為作業(yè)調度與進程調度。

2.3.1 作業(yè)調度算法

作業(yè)調度又稱為高級調度，相較于進程調度的頻率更低，主要將位于外存后備隊列中的某些作業(yè)調入內存。

平臺現階段共支持5 種作業(yè)調度算法，分別為先來先服務（FCFS）、短作業(yè)優(yōu)先（SJF）、靜態(tài)優(yōu)先級（HPF）、動態(tài)優(yōu)先級算法（DPF）及高響應比優(yōu)先算法（HRN）。其中，FCFS 按照作業(yè)到達的先后次序進入內存隊列，由于該算法僅考慮作業(yè)到達的次序，忽視作業(yè)要求服務時間的長短，會導致系統平均周轉時間較長；SJF 按照要求服務時間更短的作業(yè)優(yōu)先進入內存的原則進行內存分配，優(yōu)點為短作業(yè)能夠更早完成，但會導致服務時間較長的進程長時間得不到調度，從而產生“饑餓”現象；HPF 算法在初始狀態(tài)為每個作業(yè)預先設置優(yōu)先級，且優(yōu)先級將不會發(fā)生變化，平臺將優(yōu)先調度優(yōu)先級更高的作業(yè)；DPF 算法同樣在初始狀態(tài)為每個作業(yè)預先設置優(yōu)先級，但優(yōu)先級會隨著進入就緒序列的時間增加而上升，從而有效避免HPF 中優(yōu)先級較低的作業(yè)發(fā)生“饑餓”現象，兼顧了作業(yè)的等待時間與運行時間，既能保證短作業(yè)優(yōu)先運行，又能控制長作業(yè)的等待時間，有效提高系統調度性能。此外，用戶需要手動設置內存最大作業(yè)數，以確定內存中的最大進程隊列數量。

2.3.2 進程調度算法

進程調度又稱為低級調度，調度頻率較高，主要用于選取位于內存就緒隊列中的某些進程，并為其分配處理機。

平臺現階段支持6 種進程調度算法，分別為先來先服務（FCFS）、短進程優(yōu)先（SPF）、靜態(tài)優(yōu)先級（HPF）、動態(tài)優(yōu)先級算法（DPF）、高響應比優(yōu)先算法（HRN）及時間片輪轉調度算法（RR）。其中，前3 種算法與作業(yè)調度算法相似；DPF 算法在初始狀態(tài)為每個進程預先設置優(yōu)先級，若進程處于就緒隊列中，優(yōu)先級會隨等待時間增加而提升，該算法兼顧進程的優(yōu)先級與等待時間，既避免靜態(tài)優(yōu)先級中優(yōu)先級較低的作業(yè)發(fā)生“饑餓”現象，又能防止進程長時間占用處理機；HRN 算法則兼顧進程長短及等待時間，避免進程長時間得不到調度的情況；RR 調度算法屬于搶占式調度算法，該算法通過設置時間片，既考慮進程的先后順序，又避免進程長時間占用處理機。在平臺中，用戶可手動設置時間片大小。

上述5 種算法中，FCFS 和RR 無需用戶設置是否為搶占模式，SPF、DPF 及HRN 可設置為搶占模式。此外，若僅演示進程調度的過程，用戶只需將內存最大作業(yè)數設置為大于所有進程數量［13-14］。調度算法設置如圖3所示。

Fig.3 Scheduling algorithm settings圖3 調度算法設置

2.4 調度算法演示模塊

該模塊展示調度算法的運行過程，界面中所有數據都會實時更新，以秒為計時單位，調度算法演示如圖4 所示。其中，界面主要分為以下6個模塊：

（1）界面左上部分為初始進程隊列展示，用戶可通過表格查看所有進程的初始參數。

（2）界面中部上側為用戶設置的調度算法及預設參數。

（3）界面右上部分為運行控制單元，用戶通過選擇不同的運行模式控制該單元調度算法的運行。運行模式包括單步運行和連續(xù)運行，單步運行的單位為秒。此外，在連續(xù)運行過程中用戶可隨時暫停與重置系統。

（4）界面左下部分為外存及內存隊列，分別展示當前時刻外存和內存中的進程。

（5）界面中部下側為進程狀態(tài)展示，具體包括每個進程的運行進度、等待時間、剩余時間、周轉時間及響應比等數據［15］。

（6）界面右下部分顯示當前運行時刻及運行狀態(tài)的具體信息描述。

2.5 銀行家算法演示模塊

模塊主要參數設置、數據輸入及操作執(zhí)行3 部分構成。其中，參數設置部分用戶自主設置資源種類、每種資源的數量及進程數量；數據輸入部分用戶進行Max、Allocation、Need 矩陣數據初始化；操作執(zhí)行部分則進行系統的安全性檢測或通過輸入相關數據進行資源請求［16］。界面右側的文本框中會反饋執(zhí)行結果的具體信息描述。平臺演示銀行家算法如圖5所示。

Fig.5 Banker algorithm圖5 平臺演示銀行家算法

3 平臺評估

為了評估核心實驗演示平臺的有效性，將平臺應用于內蒙古大學計算機學院的本科操作系統課程。

通過比較學生在兩個學年中的考試和實驗表現以評估平臺的有效性［17］。其中，第一學年使用傳統教學方法進行教學；在第二學年使用平臺在課堂上演示進程調度及銀行家算法，并讓學生自行使用平臺學習相關課程知識。實驗數據來源于內蒙古大學計算機學院兩個班級共106 名學生［18-19］，考試成績見圖6（彩圖掃OSID 可見，下同）。

Fig.6 Distribution of examination scores圖6 考試成績分布

由圖6 可見，使用核心實驗演示平臺后得分在60 分以下及60-70 分區(qū)間的人數有所降低，而70-80 分和80-90分區(qū)間的人數明顯上升，90-100 分區(qū)間的人數未發(fā)生變化。學生平均得分由71.3 分提高到了80.2 分，證實平臺教學能夠在一定程度上提升學生對核心算法的掌握能力。70 分及以下的學生數量顯著降低，證明平臺教學對低分段學生的提升更大。接下來，比較兩個班學生在兩個學年中的實驗完成情況，如圖7所示。

Fig.7 Experiment completion圖7 實驗完成情況

由圖7 可見，“未完成任務”“基本完成任務”“完成任務”這3 種完成情況的人數都有所降低，而“完成額外任務”的人數顯著增加［20］，學生的實驗完成情況具有顯著改善，證明現階段學生對算法的理解提升較大。此外，為了進一步完善平臺的功能，向第二學年的學生收集了對平臺的改進意見，如圖8所示。

Fig.8 Improvement suggestions圖8 改進意見

由圖8 可見，被提及最多的是希望平臺能夠實現更多種類的算法，存在17%的學生提出應該美化平臺界面，25%的學生認為增加算法的回溯功能十分必要。

4 結論

本文展示核心實驗演示平臺的詳細信息，該平臺以可視化和交互式方式展示作業(yè)調度、進程調度和銀行家算法的實驗過程，使學生能夠直觀、深入了解所學算法的相關概念。

實驗結果證明，平臺能夠有效提高操作系統課程的教學效果，適合作業(yè)調度、進程調度及銀行家算法的輔助教學。比較兩學年中學生的考試分數及核心實驗的完成情況，結果顯示學生在考試中算法部分的平均得分由71.3 分提高到80.2 分，得分為0-70 分的學生人數降低50%，完成實驗及額外實驗的學生人數顯著提升。

此外，為進一步完善平臺功能，計劃根據學生反饋美化平臺頁面、增加算法回溯功能、開發(fā)移動端版本、涵蓋同步互斥、頁面置換等內容。