基于實例的進(jìn)程同步教學(xué)模型的研究與構(gòu)建獲獎科研報告

基于實例的進(jìn)程同步教學(xué)模型的研究與構(gòu)建獲獎科研報告摘要：本文針對操作系統(tǒng)教學(xué)中的重點和難點——進(jìn)程同步的學(xué)習(xí)，提出一個完整的進(jìn)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(jìn)程同步機制；最后通過教學(xué)模型實現(xiàn)進(jìn)程同步的應(yīng)用。通過在實際中的應(yīng)用，該解決進(jìn)程同步問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(jìn)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(jìn)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(jìn)程同步問題。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(jìn)程同步問題的研究與實現(xiàn)，并實現(xiàn)了多線程下的進(jìn)程同步。筆者根據(jù)自身及整個教學(xué)團(tuán)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(jìn)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(fù)擔(dān)。

一、通過生活實例理解進(jìn)程同步的概念

在解決進(jìn)程同步問題之前，首先要明確一個概念：進(jìn)程同步。湯小丹[3]等在《計算機操作系統(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)是對多個相關(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(jìn)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(jìn)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(jìn)程）之間的次序問題，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(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)）。使用水龍頭的學(xué)生盡量快，不要等到上課了還有學(xué)生沒洗（同步進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(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、通過游戲理解進(jìn)程同步機制

這里仍然以經(jīng)典的進(jìn)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(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(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）兩個空盒子，每個只能放一個蘋果（相當(dāng)于臨界資源，可以認(rèn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)一步理解了進(jìn)程的同步和互斥。該游戲可以多玩幾次，每次完成后作為獎勵將蘋果送給參與的學(xué)生。

三、通過進(jìn)程同步模型解決進(jìn)程同步的應(yīng)用

通過前面的講解，同學(xué)們對進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(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)行次序問題，進(jìn)程間沒有關(guān)系的動作，或者說屬于進(jìn)程自己的行為，不需要加以協(xié)調(diào)。同時，分析進(jìn)程間哪些動作具有相關(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)系定義信號量并給出信號量的初值。

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(jìn)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(jìn)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(jìn)程之間一定存在著固定的執(zhí)行次序，可分為兩種情況。一種為簡單的同步，即進(jìn)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(jìn)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(jìn)程之間的同步或?qū)εR界資源的互斥訪問，更嚴(yán)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(jìn)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(jìn)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(jìn)程的推進(jìn)，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(jìn)程中，關(guān)于互斥的P、V操作要放在同一進(jìn)程中。

對于互斥，只要在每個進(jìn)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(jìn)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(jìn)程對共享資源的訪問控制及合作進(jìn)程對執(zhí)行的先后次序的控制。當(dāng)一個進(jìn)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(jìn)程判斷。

四、總結(jié)與展望

本文主要介紹了操作系統(tǒng)中課程中的一個重點和難點—進(jìn)程同步的學(xué)習(xí)思路和解決問題的模型