基于實(shí)例的進(jìn)程同步教學(xué)模型的研究與構(gòu)建獲獎(jiǎng)科研報(bào)告

基于實(shí)例的進(jìn)程同步教學(xué)模型的研究與構(gòu)建獲獎(jiǎng)科研報(bào)告摘要：本文針對(duì)操作系統(tǒng)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)——進(jìn)程同步的學(xué)習(xí)，提出一個(gè)完整的進(jìn)程同步教學(xué)模型。首先通過(guò)生活中的例子理解概念；其次通過(guò)游戲理解進(jìn)程同步機(jī)制；最后通過(guò)教學(xué)模型實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步的應(yīng)用。通過(guò)在實(shí)際中的應(yīng)用，該解決進(jìn)程同步問(wèn)題的思路和模型證明是有效的。

關(guān)鍵詞：進(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的核心軟件之一，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)離不開操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)課程是計(jì)算機(jī)應(yīng)用人員深入了解和使用計(jì)算機(jī)的必備知識(shí)，是進(jìn)行系統(tǒng)軟件開發(fā)的理論基礎(chǔ)，也是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門理論性較強(qiáng)的主干課程，很多學(xué)校都將該門課程作為重點(diǎn)課程建設(shè)。因此，提高該門課程的教學(xué)質(zhì)量對(duì)于培養(yǎng)合格的計(jì)算機(jī)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(gè)教師學(xué)生所關(guān)心的。

長(zhǎng)期以來(lái)，許多院校的師生都反映操作系統(tǒng)的課程看起來(lái)比較容易，但在學(xué)習(xí)過(guò)程中感覺(jué)枯燥、難講、難學(xué)，尤其是進(jìn)程同步方面的知識(shí)，是整個(gè)操作系統(tǒng)教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，往往學(xué)完整個(gè)操作系統(tǒng)課程還是不理解、不會(huì)解決進(jìn)程同步問(wèn)題。很多教師在這方面都進(jìn)行了探索。牛欣源[1]為進(jìn)程同步問(wèn)題構(gòu)建了一個(gè)較通用的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模型，主要分為三個(gè)方面：（1）分析獨(dú)占資源的資源管理，利用信號(hào)量及其P、V操作實(shí)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(wèn)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(jìn)程同步問(wèn)題的研究與實(shí)現(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)了多線程下的進(jìn)程同步。筆者根據(jù)自身及整個(gè)教學(xué)團(tuán)隊(duì)多年的教學(xué)、教改經(jīng)驗(yàn)，提出了一整套利用信號(hào)量機(jī)制解決進(jìn)程同步問(wèn)題的思路、模型，為教師提供了便利，減輕了初學(xué)者的負(fù)擔(dān)。

一、通過(guò)生活實(shí)例理解進(jìn)程同步的概念

在解決進(jìn)程同步問(wèn)題之前，首先要明確一個(gè)概念：進(jìn)程同步。湯小丹[3]等在《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（第三版）》關(guān)于進(jìn)程同步的描述：進(jìn)程同步的主要任務(wù)是對(duì)多個(gè)相關(guān)進(jìn)程在執(zhí)行次序上進(jìn)行協(xié)調(diào)，以使并發(fā)執(zhí)行的諸進(jìn)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(jìn)程同步解決的是進(jìn)程間的執(zhí)行次序問(wèn)題，目的是使各進(jìn)程能有效地共享資源和相互合作。衍伸看，進(jìn)程同步問(wèn)題中存在兩類問(wèn)題：同步和互斥。同步是由于相互合作而產(chǎn)生的，互斥是因?yàn)楣蚕碣Y源而產(chǎn)生的。解決了同步和互斥，就解決了進(jìn)程同步問(wèn)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(lái)就容易得多。在實(shí)際教學(xué)中，我們會(huì)將現(xiàn)實(shí)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(duì)于同步，由于體現(xiàn)的是相互合作進(jìn)程之間的關(guān)系，可以運(yùn)動(dòng)會(huì)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(diǎn)跑，但沒(méi)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(gè)過(guò)程中既體現(xiàn)了相互合作學(xué)生（進(jìn)程）之間的次序問(wèn)題，又體現(xiàn)了進(jìn)程的異步性。同步的提出就是為了解決進(jìn)程執(zhí)行過(guò)程中的異步性。第二棒的學(xué)生不管跑多快，他受到第一個(gè)學(xué)生的制約，即直接制約關(guān)系。同步進(jìn)程的執(zhí)行是有固定次序的，必須區(qū)分先后。不管什么時(shí)間執(zhí)行，都必須按照既定的次序。

對(duì)于互斥，是由于共享資源而產(chǎn)生的，相對(duì)說(shuō)好理解。但為了后面進(jìn)程同步的應(yīng)用，也可以舉個(gè)實(shí)例。例如，學(xué)生宿舍共用水龍頭的問(wèn)題。水龍頭屬于臨界資源，一段時(shí)間只允許一個(gè)同學(xué)（進(jìn)程）訪問(wèn)。但是，對(duì)水龍頭的使用是沒(méi)有固定次序的，只要保證一段時(shí)間內(nèi)只有一個(gè)同學(xué)（進(jìn)程）使用就可以。在某個(gè)同學(xué)使用的過(guò)程中，其他同學(xué)可以SLEEP（或BLOCK）（同步進(jìn)制中的忙則等待），不需要不斷地看別人用完了沒(méi)有，等別人用完可以將他WAKEUP。而且，當(dāng)一個(gè)人用完后要讓給別人，不能鎖起來(lái)（同步機(jī)制中的空閑讓進(jìn)）。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(méi)洗（同步進(jìn)制中的有限等待）。如果一個(gè)同學(xué)在洗的過(guò)程中被人叫走，那么水龍頭要讓給別人。（同步機(jī)制中的讓權(quán)等待）。這個(gè)例子因?yàn)榉浅ＹN近生活，學(xué)生可以在生活中注意觀察、體會(huì)，以加深對(duì)互斥和進(jìn)程同步的理解。

通過(guò)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(jìn)程同步，同時(shí)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(méi)有固定的執(zhí)行次序，但一旦某個(gè)進(jìn)程使用臨界資源，其他進(jìn)程必須等待。同步是有固定次序的。

二、通過(guò)游戲理解進(jìn)程同步機(jī)制

這里仍然以經(jīng)典的進(jìn)程同步機(jī)制—信號(hào)量機(jī)制講起。

信號(hào)量本身不難理解，我們可以將它與生活中的紅綠燈（信號(hào)燈）聯(lián)系起來(lái)，紅燈停，綠燈行。但是，在應(yīng)用信號(hào)量的過(guò)程中，許多學(xué)生還是難以理解進(jìn)程同步中的停和行是怎么回事，是如何控制的。枯燥的講解不如做游戲掌握得快。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)課堂游戲幫助大家理解信號(hào)量的應(yīng)用，以體驗(yàn)進(jìn)程執(zhí)行中的“?！焙汀靶小薄?/p>

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(jìn)程）；（2）兩個(gè)空盒子，每個(gè)只能放一個(gè)蘋果（相當(dāng)于臨界資源，可以認(rèn)為是包含多個(gè)緩沖區(qū)的緩沖池）；（3）一個(gè)S，用于取放蘋果的同學(xué)互斥訪問(wèn)盒子，兩個(gè)S1，用于控制放蘋果的，兩個(gè)S2，用于控制取蘋果的；（4）初始狀態(tài)：兩個(gè)S1放在放蘋果的一方的桌子上，兩個(gè)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(shí)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(shí)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(guò)程中，每個(gè)學(xué)生按照自己的速度向前行（體現(xiàn)并發(fā)進(jìn)程的異步性）。在這個(gè)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(jìn)程之間的合作（同步）；對(duì)盒子的訪問(wèn)必須先拿到S，一段時(shí)間只有一個(gè)學(xué)生能拿到，體現(xiàn)了對(duì)臨界資源的互斥訪問(wèn)。另外，在游戲中還體現(xiàn)出當(dāng)同步信號(hào)量和互斥信號(hào)量同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，要先同步（先拿S1），后互斥（再拿S），以免死鎖。

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

三、通過(guò)進(jìn)程同步模型解決進(jìn)程同步的應(yīng)用

通過(guò)前面的講解，同學(xué)們對(duì)進(jìn)程同步的相關(guān)概念已經(jīng)有了深入的了解，但是實(shí)際應(yīng)用起來(lái)還是覺(jué)著無(wú)從下手。為此我們?cè)趯?shí)踐的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)利用信號(hào)量機(jī)制解決進(jìn)程同步問(wèn)題的模型，通過(guò)這個(gè)模型，學(xué)生可以比較容易地實(shí)現(xiàn)進(jìn)程同步的應(yīng)用，對(duì)初學(xué)者有幫助。具體模型包括：

（一）描述進(jìn)程的執(zhí)行過(guò)程。

這一步比較簡(jiǎn)單，可以用自然語(yǔ)言描述，也可以用偽代碼描述。

（二）分析進(jìn)程間的相關(guān)性。

進(jìn)程同步所關(guān)注的是相關(guān)進(jìn)程間的執(zhí)行次序問(wèn)題，進(jìn)程間沒(méi)有關(guān)系的動(dòng)作，或者說(shuō)屬于進(jìn)程自己的行為，不需要加以協(xié)調(diào)。同時(shí)，分析進(jìn)程間哪些動(dòng)作具有相關(guān)性，也是后面分析進(jìn)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(jìn)程存在的關(guān)系，定義信號(hào)量。

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

1.分析進(jìn)程間的關(guān)系。相關(guān)進(jìn)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(wèn)題中，我們就從這兩種關(guān)系入手，看看問(wèn)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(jìn)程之間是否存在著共享資源相對(duì)比較簡(jiǎn)單，也比較明顯。只要這類資源是進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)的對(duì)象，就是共享資源，例如同宿舍同學(xué)對(duì)水龍頭的競(jìng)爭(zhēng)。

對(duì)于因相互合作而產(chǎn)生的直接制約關(guān)系，即同步，各進(jìn)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(jiǎn)單的同步，即進(jìn)程中的相關(guān)動(dòng)作之間只存在簡(jiǎn)單的先后次序關(guān)系，可以通過(guò)前驅(qū)圖來(lái)描述，誰(shuí)在前驅(qū)位置，誰(shuí)在后繼位置一目了然。例如運(yùn)動(dòng)會(huì)中的接力賽。第二種為較復(fù)雜的同步，各進(jìn)程間相關(guān)動(dòng)作彼此影響，互相制約。這一過(guò)程通常是循環(huán)的過(guò)程。例如取放蘋果的過(guò)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(hào)量。根據(jù)上述分析，對(duì)于因共享資源而產(chǎn)生的互斥，有幾類資源就設(shè)置幾個(gè)相應(yīng)的信號(hào)量；對(duì)于因相互合作而產(chǎn)生的同步，對(duì)應(yīng)在前驅(qū)圖中，存在幾對(duì)前驅(qū)關(guān)系，就設(shè)置幾個(gè)信號(hào)量；對(duì)于比較復(fù)雜的前驅(qū)關(guān)系，除了上面設(shè)置的信號(hào)量之外，還要考慮處于前驅(qū)位置的動(dòng)作的執(zhí)行條件，即設(shè)置相應(yīng)的信號(hào)量控制前驅(qū)位置的執(zhí)行。需要注意的是，設(shè)置信號(hào)量時(shí)要明確指出信號(hào)量的物理含義。

3.定義信號(hào)量的初值。初值即信號(hào)量在問(wèn)題中的初始狀態(tài)的值，這里問(wèn)題的初始狀態(tài)是關(guān)鍵。信號(hào)量的初值可分為三類：1，0，n。1代表臨界資源，0表示簡(jiǎn)單的前后次序，n表示需要n個(gè)這類的資源。如果是臨界資源，初值為1，但如果問(wèn)題中有多個(gè)同樣的臨界資源，初值即為相應(yīng)的個(gè)數(shù)，例如三個(gè)打印機(jī)，信號(hào)量的初值即為3。如果問(wèn)題中是描述簡(jiǎn)單的前驅(qū)關(guān)系（相互合作）的，信號(hào)量初值固定為0；對(duì)于復(fù)雜的前驅(qū)關(guān)系，控制前驅(qū)動(dòng)作執(zhí)行的信號(hào)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(hào)量的應(yīng)用中較難的一個(gè)步驟，尤其是P操作的位置，如果不當(dāng)，或者不能實(shí)現(xiàn)相互合作進(jìn)程之間的同步或?qū)εR界資源的互斥訪問(wèn)，更嚴(yán)重的會(huì)造成死鎖。

需要注意的是，P、V操作必須成對(duì)出現(xiàn)，有一個(gè)P操作就有一個(gè)V操作。當(dāng)進(jìn)程中涉及多個(gè)P操作的時(shí)候，要注意執(zhí)行順序。若同時(shí)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(huì)造成死鎖，在進(jìn)程中的兩個(gè)V操作的位置一般不需特別注意，但V操作的順序可能會(huì)延遲進(jìn)程的推進(jìn)，因此在使用完互斥信號(hào)量后要及時(shí)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(jìn)程中，關(guān)于互斥的P、V操作要放在同一進(jìn)程中。

對(duì)于互斥，只要在每個(gè)進(jìn)程中訪問(wèn)臨界資源之前加上相應(yīng)的P操作即可，訪問(wèn)完加上相應(yīng)的V操作；對(duì)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(yǔ)句之前加上相應(yīng)的P操作，而在前驅(qū)位置的語(yǔ)句之后加上V操作。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，進(jìn)程中想控制哪條（或哪幾條）語(yǔ)句就在之前加上P操作。這里的控制包括互斥進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)控制及合作進(jìn)程對(duì)執(zhí)行的先后次序的控制。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程中某個(gè)動(dòng)作要執(zhí)行的時(shí)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(jìn)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(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)—進(jìn)程同步的學(xué)習(xí)思路和解決問(wèn)題的模型