操作系統(tǒng)進(jìn)程互斥與同步教學(xué)難點(diǎn)突破

崔松健

摘要：該文通過一個(gè)小型運(yùn)動(dòng)會(huì)實(shí)例，通過類比方法讓學(xué)生理解并掌握操作系統(tǒng)中與進(jìn)程相關(guān)的概念，以及如何使用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)進(jìn)步的同步與互斥。

關(guān)鍵詞：操作系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）05-0118-02

1 序言

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)專業(yè)的核心課程，操作系統(tǒng)的教學(xué)主要是讓學(xué)生理解并掌握操作系統(tǒng)的功能及實(shí)現(xiàn)原理，理論性很強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)多，教學(xué)難度大，學(xué)生不易掌握，特別是對(duì)于高職院校的學(xué)生。為了讓學(xué)生能很好地學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的理論知識(shí)，老師們進(jìn)行的了很多的探討與教學(xué)嘗試，下面就將我多年來在操作系統(tǒng)教中，對(duì)進(jìn)程同步與互斥這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)的教學(xué)方法作一個(gè)簡(jiǎn)單的論述。

2 相關(guān)概念的突破

教學(xué)時(shí)以小型體育運(yùn)動(dòng)會(huì)實(shí)例來解釋相關(guān)的概念。

實(shí)例描述：一個(gè)在半天內(nèi)完成的小型體育運(yùn)動(dòng)會(huì)。比賽項(xiàng)目有：100米，200米，4*100米接力。而這三個(gè)項(xiàng)目又分為預(yù)賽和決賽兩個(gè)階段進(jìn)行，預(yù)賽先于決賽進(jìn)行。因此總的比賽項(xiàng)目有：100米預(yù)賽，200米預(yù)賽，4*100米接力預(yù)賽，100米決賽，200米決賽，4*100米接力決賽六個(gè)子項(xiàng)目。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)場(chǎng)地只有一塊，所以某一時(shí)刻只能有一項(xiàng)體育比賽可以進(jìn)行。某項(xiàng)比賽一旦開始，就必須全部比賽完成，但不同的比賽可以穿插進(jìn)行。

下面通過類比的方法解釋與進(jìn)程相關(guān)的概念。

1）進(jìn)程：具有一定獨(dú)立功能的程序關(guān)于某個(gè)數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動(dòng)。

因?yàn)槊恳粋€(gè)項(xiàng)目都是可以獨(dú)立進(jìn)行的，所以可以將每一個(gè)項(xiàng)目看成是一個(gè)具有獨(dú)立功能的程序，而將每一項(xiàng)比賽看成是每一個(gè)項(xiàng)目在裁判、計(jì)時(shí)員等支持下的一次獨(dú)立運(yùn)行活動(dòng)。因此六個(gè)項(xiàng)目的比賽過程可以看成六個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行。

2）并發(fā)：同一個(gè)時(shí)間段內(nèi)幾個(gè)進(jìn)程都處于已經(jīng)開始運(yùn)行和運(yùn)行完畢之間，且這幾個(gè)進(jìn)程都是在同一個(gè)處理機(jī)上運(yùn)行，但在任一時(shí)刻，只能有一個(gè)進(jìn)程在處理機(jī)上運(yùn)行。我們就說這幾個(gè)進(jìn)程處于并發(fā)狀態(tài)。

運(yùn)動(dòng)會(huì)的三個(gè)項(xiàng)目是交替進(jìn)行的，我們認(rèn)為這三個(gè)項(xiàng)目都處于進(jìn)行當(dāng)中，因?yàn)樗麄兌紱]有結(jié)束。這種狀態(tài)就稱之為并發(fā)狀態(tài)。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)場(chǎng)地只有一個(gè)，所以同一時(shí)刻只能有一個(gè)項(xiàng)目在進(jìn)行當(dāng)中，我們就說比賽并行為1，若有兩個(gè)場(chǎng)地可以同時(shí)比賽，我們就說并行為2。

3）臨界資源：操作系統(tǒng)把一次僅允許一個(gè)進(jìn)程使用的資源稱為臨界資源。

由于競(jìng)賽場(chǎng)地某一時(shí)刻只能進(jìn)行一場(chǎng)比賽，所以場(chǎng)地是臨界資源。

4）臨界區(qū)：一個(gè)進(jìn)程中訪問臨界資源的那段程序。

由于每場(chǎng)比賽都要使用場(chǎng)地，因此每場(chǎng)比賽都是臨界區(qū)。

5）互斥：是指多個(gè)進(jìn)程不能同時(shí)使用同一個(gè)資源。

由于比賽場(chǎng)地只能輪流使用而不能同時(shí)使用，所以使用場(chǎng)地的過程就稱為互斥過程。

6）同步：指多個(gè)進(jìn)程之間存在著某種時(shí)序關(guān)系，必須協(xié)同動(dòng)作、相互配合。

4*100接力比賽是4個(gè)人協(xié)同完成的，每人跑一棒，而且是第一棒跑完才能跑第二棒，第二棒跑完才能跑第三棒，第三棒跑完才能跑第四棒。這種有嚴(yán)格時(shí)序關(guān)系的協(xié)同過程就稱為同步，四個(gè)人之間的先后關(guān)系就是同步關(guān)系。

運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地是一個(gè)封閉的空間，入口有一道門，要想進(jìn)入運(yùn)動(dòng)場(chǎng)，必須獲得打開門的鑰匙，而鑰匙只有一把，所以一開始時(shí)的Value的初值為1，獲得鑰匙的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目可以進(jìn)入運(yùn)動(dòng)場(chǎng)比賽，而沒有獲得鑰匙的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目則在門外排隊(duì)等待。

8）原語(yǔ)：通常由若干條指令組成，用來實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定的操作。通過一段不可分割的或不可中斷的程序?qū)崿F(xiàn)其功能。

信號(hào)量只能通過P原語(yǔ)和V原語(yǔ)訪問。

P操作用于申請(qǐng)資源，value值減1，如果資源數(shù)量不夠，則進(jìn)程需要阻塞等待。

V操作用于釋放資源， value值加1，如果此時(shí)value<0，表示有其他進(jìn)程等待該資源，則喚醒。

當(dāng)value<0時(shí)，| value|表示等待隊(duì)列的進(jìn)程數(shù)。

拿到鑰匙，打開門，進(jìn)入場(chǎng)地這三個(gè)動(dòng)作必須一次性完成，中間不可以被中止，這就是原語(yǔ)操作。

3 進(jìn)程互斥的實(shí)現(xiàn)

由于運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地是臨界資源，所以哪一個(gè)項(xiàng)目可以使用運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地進(jìn)行比賽是需要競(jìng)爭(zhēng)的，那么如何保證進(jìn)入運(yùn)動(dòng)場(chǎng)比賽的項(xiàng)目只能是一個(gè)呢？我們使用信號(hào)量來控制互斥地使用運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地。

信號(hào)量就是一把鑰匙，而且鑰匙只有一把，因此設(shè)信號(hào)量S的初值為1。

由于100米預(yù)賽，200米預(yù)賽和4*100接力預(yù)賽是可以并發(fā)進(jìn)行的，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)三個(gè)并發(fā)程序控制使用運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地進(jìn)行比賽（臨界區(qū)）。而哪個(gè)項(xiàng)目能夠進(jìn)行（進(jìn)入臨界區(qū)），就看哪個(gè)項(xiàng)目獲得了運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地（臨界資源）的使用權(quán)，而對(duì)使用權(quán)的控制就是看誰(shuí)能夠進(jìn)入運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地，最終則是誰(shuí)能獲得入門的鑰匙（信號(hào)量），因此只要控制住鑰匙，就能實(shí)現(xiàn)互斥進(jìn)入。

結(jié)論：使用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)互斥的方法是在臨界區(qū)前放置一個(gè)P原語(yǔ)操作，臨界區(qū)后面放置一個(gè)V原語(yǔ)操作。含義為：P原語(yǔ)申請(qǐng)鑰匙，如果成功則獲得資源（運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地），進(jìn)行比賽，比賽結(jié)束后，V原語(yǔ)操作，交出鑰匙（信號(hào)量），喚醒等待比賽的項(xiàng)目。

4 進(jìn)程同步的實(shí)現(xiàn)

進(jìn)程之間的關(guān)系除了競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系以外，可能還存在時(shí)間上的制約關(guān)系，這種關(guān)系就是同步關(guān)系。比如運(yùn)動(dòng)會(huì)中，運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目之間就存在時(shí)序上的先后關(guān)系，100米預(yù)賽必須先于100米決賽之前進(jìn)行，而200米決賽則不能早于200米預(yù)賽之前進(jìn)行。4*100米接力賽中的四個(gè)人之間也存在著先后關(guān)系。那么如何通過信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)這個(gè)同步關(guān)系呢？

我們以100米預(yù)賽和100米決賽之間的時(shí)序關(guān)系為例說明如何實(shí)現(xiàn)同步。

100米預(yù)賽和100米決賽為兩個(gè)并發(fā)程序，100米預(yù)賽早于100米決賽進(jìn)行。則可以將它們之間的時(shí)序關(guān)系通過有向圖來表示，圖1說明了100米預(yù)賽先于100米決賽進(jìn)行。

}

說明：由于信號(hào)量初值為0，因此只有當(dāng)【100米預(yù)賽】并發(fā)程序執(zhí)行結(jié)束以后，s的值才能為1，也只有當(dāng)s的值為1后，【100米決賽】并發(fā)程序才能夠執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)并發(fā)程序之間的時(shí)序關(guān)系。

綜上所述，我們總結(jié)出進(jìn)程同步中并發(fā)程序的書寫規(guī)則：

1）將問題中的所有有時(shí)序關(guān)系的并發(fā)程序找出，用有向圖畫出他們之間的時(shí)序關(guān)系；

2）有向圖中有幾個(gè)結(jié)點(diǎn)，則寫幾個(gè)并發(fā)程序；

3）有向圖中有幾個(gè)有向箭頭，則設(shè)置幾個(gè)信號(hào)量，同時(shí)將所有信號(hào)量的初值設(shè)為0；

4）對(duì)于有向圖中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)，如果有一個(gè)出向箭頭，則在并發(fā)程序的后面加一個(gè)V操作；

5）對(duì)于有向圖中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)，如果有一個(gè)入向箭頭，則在并發(fā)程序的前面加一個(gè)P操作。

舉例說明：如圖2所示的有向圖，請(qǐng)寫出所有進(jìn)程的并發(fā)程序。

}

5 結(jié)論

通過以上的方法，學(xué)生很容易掌握和理解操作系統(tǒng)進(jìn)程的概念，進(jìn)程之間有關(guān)系，以及如何使用信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的互斥與同步。