用生活中的管理思想去講操作系統

摘要：本文通過現實生活中的資源有限性、平等、均衡匹配、均衡與優先、緊密聯系實際、折中與中庸等管理思想，來闡述操作系統課中的帶有普遍性的問題，從而提高操作系統課的教學效果。

關鍵詞：操作系統；管理思想；資源有限性；平等；匹配；均衡；優先；折中

中圖分類號：G64 文獻標識碼：B

文章編號：1672-5913（2007）06-0037-03

1 引言

操作系統是計算機專業的核心課，由于其理論抽象，原理多，不易實踐等原因，使學生學起來感到極其枯燥。眾多原理、調度策略、數據結構給學生學習帶來了諸多困惑。如何將抽象的原理具體化，除通過相應的實驗外，在授課過程中注意與現實生活中具體的管理思想和管理方法相聯系，使課程內容變得生動而簡潔，從而取得良好的效果，這是講授操作系統課的教師應不斷研究的問題。

操作系統對計算機硬件和軟件資源進行統一管理，為用戶提供一個功能強大，操作簡便的接口，它既要使計算機資源的利用率發揮到最大，又要使用戶感到計算機給自己提供了快捷方便的服務，因此操作系統既是管理者，又是服務者。筆者在授課過程中，經常貫穿了以下思想，并取得了較好的效果。

2 管理對象資源有限性思想

在現實生活中，資源是極其有限的，循環經濟就是最大限度地發揮資源的利用率，許多資源是不可再生的，在管理中必須樹立資源是極其寶貴的思想，管理策略的選定是緊密圍繞最大限度利用資源來決定。操作系統的管理策略就是建立在一定的硬件資源基礎上的。

例如，計算機系統的速度慢，就操作系統而言，不能通過更換CPU、擴充內存、增加Cache、提高I/O設備的處理速度來解決。而是改進操作系統的管理策略，使CPU和各種設備諧調地動起來，避免出現空轉等待情況。換言之，再大的內存，如Windows系統，當打開足夠多的任務后，系統的內存也會被耗盡，甚至造成死機現象。總之，操作系統的各種管理策略必須建立在有限資源的思想上，這是根本性的問題。在具體授課中，反復強調這一思想，使學生從心理上接受為什么會有那么多的管理策略和調度算法，這對學生深入學習操作系統是極其有益的。

3 管理策略要體現平等的思想

在分時操作系統中，處理機調度使用時間片輪轉法。該方法要求將一段時間劃分為固定大小的很小的時間段，稱為時間片，每個進程一次只能占用一個時間片的處理機時間，即使進程運行沒有結束，也必須被撤換下來，以便就緒的下一個進程使用；被換下的進程直到下一次輪到自己時才能使用處理機。這種策略就是現實生活中平等思想的最好體現。如法律面前人人平等，不論官位高低、富有和貧賤都是平等的。平等的思想，克服了有些進程長時間占用處理機而造成其他一些進程長時間等待，進而造成多個用戶在使用計算機時，某些用戶一直得不到或長時間得不到系統服務，最終造成系統響應差的問題。

4 眾多的資源管理要有均衡匹配的思想

操作系統管理計算機所有的硬件資源，而這些硬件設備由于加工工藝、材料等原因，在處理數據、傳輸數據方面有很大的差異。如CPU的速度一般在ns級，Cache的讀出時間為50ns，內存的是250ns；又如選擇通道連接的高速外圍設備，數據傳輸率可達到1.5MB/S，即0.67s傳送一個字節；字節多路通道連接的低速外圍設備數據傳輸率是1000B/S，即1ms傳送一個字節，其速度相差1000倍。硬盤真正的傳輸速度由于受硬盤內部傳輸速率的影響，其穩定傳輸速率一般在30MB/S到45MB/S之間，光磁盤數據傳輸速度8MB/S到20MB/S之間，USB2.0設備為60MB/S。在實際處理系統中，當有用戶通過鍵盤輸入內容時，由于人的反映遠低于計算機硬件的速度，使得系統速度極大降低。

這些設備的差異造成了管理的復雜化，如何把不同速度的設備組成一個有機的統一體，是一個系統問題。在現實生活中，每個人的學習能力、專業能力、身體條件、愛好等都有差別，如何把他們組合成一個強有力的集體，正是現在管理學研究的問題。在這一集體中，要追求和諧，對每個人要揚長避短，才能達到最大的效力，而不是使某一個人發揮最大能力，這在系統論中早以作出了闡述。

操作系統對這一問題，采取了均衡匹配的思想，即盡可能讓慢速設備與快速設備相匹配。具體做法是通過多道程序使含有I/O操作的進程與計算為主的進程并行操作，讓CPU給計算進程服務時，I/O進程獨立的完成緩慢的I/O操作。在內存管理方面，設立快表、虛擬存儲器來提高內存的訪問速度；在I/O設備輸入/輸出數據時，設立緩沖區，當慢速設備輸入/輸出數據達到一定量時，CPU才對緩沖區的數據進行讀寫；設立中斷處理機構，通過查詢中斷方式對慢速設備的數據進行抽空處理。

5 均衡與優先相統一的思想

操作系統中，只要有多選一的情況，就要發生調度，如多個后備狀態的作業在進入執行狀態時，多個就緒進程進入運行狀態時，多個虛頁進行交換時，一個設備分配給多個進程時，都會發生調度。只要調度，就存在一個策略選擇的問題。如作業調度時的短作業優先法、最高響應比優先法、先來先服務法、優先級法、輪轉法等。

各種調度策略總是按某一規則來確定優先順序，先來先服務法是以作業到達系統的時間來確定優先順序，但這種方法會造成估計執行時間很短的作業在那些長作業后面到達系統的話，等待時間會過長，系統的吞吐率也會降低。短作業優先法則以最短的作業優先的策略，提高了吞吐率，然而會造成一些長作業永遠得不到調度執行的機會。

對這些問題的解決，就出現了最高響應比優先法，它同時考慮每個作業的等待時間W和估計執行時間T，從R=（W+T）/T可得出作業的優先級隨等待時間而發生變化，從而避免長時等待問題和平均主義思想。故一個好的調度策略的選擇，充分體現了現實生活中的均衡與優先思想。如醫院看病，設有急診科和普通科室，兩者的結合滿足了不同情況病人的需求；再如用電緊張時，錯峰用電的策略；干部的換屆和輪崗等。在一個實際系統中，調度策略可能采用多種，從而適應各種情況。

6 把握對象，緊密聯系實際的思想

在操作系統中，管理對象隨時發生著變化，它是動態變化的，而不是靜態的，就像現實生活中的人。為準確把握管理對象，掌握它們某一時刻的情況，操作系統為每一個對象建立了一個數據結構，通過各自數據結構中的內容，準確把握對象的狀態，從而進行精確地管理。

在作業管理中，操作系統為每個作業建立了作業控制塊（Job Control Block，JCB），JCB中包含有對作業的基本描述，指明作業的名稱、歸屬、作業說明書的控制語言；又包含作業對資源的需求描述和控制信息描述，如作業的優先級、所需內存、要求處理時間和允許最大處理時間等。在進程管理中為每個進程創建進程控制塊（Process Control Block，PCB），PCB中包含了對進程的基本描述、資源需求描述和控制描述。控制信息又包括進程的當前狀態、進程的優先級、通信信息等。

內存管理中，為了記錄內存的分配狀態；在分區存儲管理中，要建立分區說明表，動態記錄每個分區的使用情況，動態分區還把可用分區單獨構成可用分區表或可用分區自由鏈，以描述系統內的內存資源情況。在頁式管理中，系統建立存儲頁面表來記錄某一時刻內存的使用情況，通過將其某位置1，表示對應頁被分配出去，置0表示對應頁空閑，可供分配。在文件管理中，為每一個文件建立文件控制塊（File Control Block，FCB），其中包含對文件的基本描述，如文件名、文件的邏輯結構、文件的物理結構、文件的大小、文件的創建或修改日期等。

在設備管理中，對每個設備建立設備控制表（Device Control Table，DCT），其內容包括設備的標識、類型、設備號、設備的狀態、等待用該設備的進程隊列指針、指向與該設備相連的I/O控制的指針等等。同時，系統還建立了一張系統設備表（System Device Table，SDT），記錄已被連接到系統中的所有物理設備的情況。控制器表（Controler Control Table，COCT），記錄每個控制器的使用狀態以及和通道的連接情況。通道控制表（Channel Control Table，CHCT），記錄每個通道的標識符、通道忙/閑、等待獲得該通道的進程等待隊列的隊首指針和隊尾指針等等。

這正如現實生活中，公安機關為了管理人，必須建立身份證來記錄每個人的基本情況；組織部門為了準確掌握干部情況，要建立干部檔案并將其進行微機管理。學校為了管理學生，要把學生的個人基本情況、獎罰情況、成績情況造表，輸入計算機系統進行管理。信息掌握得越多，管理就越科學合理。被管理對象的信息是管理的基礎和依據。在操作系統中，為了準確管理每一個對象，在它們相應的數據結構中，隨時隨地將其變化的信息保存下來，從而使操作系統在如此復雜的動態系統中，有條不紊地進行管理。這些數據構成了整個操作系統管理的數據基礎，是各種分配、調度策略的物質基礎。

7 折衷和中庸思想

操作系統管理的對象是實實在在的每臺計算機，其使用情況又千差萬別，沒有一種管理辦法在各種情況下都是最優的。就拿作業調度，如果從經濟效益的角度而言，哪個用戶出的使用費高，哪個用戶的作業應優先執行，此時優先級法最好。從系統單位時間內盡可能多地為多個用戶服務的角度而言，短作業優先法是最好的。

在實時系統中，時間的響應成為首要問題，資源的利用率變為次要問題，原先以提高資源利用率的時間片輪轉法不再是好的策略。虛擬存儲管理中，既要考慮內存擴充問題，將進程的部分頁換出內存；又要考慮進程的執行速度，將一些經常訪問的頁、頁表等不能換出內存。好的置換算法是將換出內存的頁和保留內存的頁相統一，避免發生抖動現象。由此可見，操作系統中的管理策略，正如現實生活中的問題，不能用一種管理辦法管到底，而是多種辦法相結合。如在平均主義造成鐵飯碗，沒有競爭力的情況下，引入多勞多得、按勞分配的原則是極為必要的。同樣在收入差距擴大到超出合理范圍時，通過加大稅收調節，扶持弱勢群體的措施又是首要策略。在授課中，不斷貫穿這一思想，有利于促進學生形成緊密結合實際，根據實際情況選擇管理策略的能力。

8 結束語

總之，將現實生活中，學生可以感覺到的管理思想應用在操作系統教學中，能取得事半功倍的效果，才能將抽象枯燥的理論變為生動的內容。

參考文獻:

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收稿日期：2006-09-27

作者簡介：何珍祥（1967-），男，漢族，副教授，研究方向：操作系統、數據庫。