基于操作系統課程教學的動態解析研究

摘要:本文主要以操作系統課程中的前趨圖、進程同步問題和哲學家就餐問題三個知識點為基礎，講述采用Flash技術動態講解操作系統知識的方法，同時闡述Flash技術對操作系統學習的重要意義。

關鍵詞:進程;同步;互斥;信號量;前趨圖;

從20世紀70年代第一代微機操作系統誕生到今天，操作系統的發展已經有將近40年的歷史了，其更新換代也從未停止過:從DOS系統到Windows系列，一直到今天的Windows7，操作系統開發技術的發展令人嘆為觀止。同時，世人對操作系統知識的學習和技術提高也在不斷的進行著。然而，由于操作系統知識與現實生活并不貼近，因而理解上難免會有困難，學習起來也就不是那么的容易。在高等院校中，有限的學時安排也直接導致了操作系統知識學習的障礙明顯，所以操作系統的學習方式有待改善。利用Flash技術講解相關的知識點是一個非常重要的手段，其直觀、生動的特點可以有效學習操作系統知識。

1結合Flash解釋知識點

1.1概述

Flash技術最重要的特點就是問題解釋的直觀性和生動性，將該技術用于操作系統課程教學，可以大大降低知識介紹的難度。使用Flash制作的課件，不僅操作簡單，而且交互性強，非常有利于教學的互動[1]。書本上各種原理的闡述，通過一段可控制的動畫來完成，既能簡化教學過程，又能活躍課堂的氣氛、提高學生學習的積極性。下面的2個實例將具體介紹Flash技術闡釋某些原理的過程，從而讓我們清晰的看到該技術的優越性。

1.2程序并發執行前趨圖

我們知道，計算機大型程序的運行通常是由若干個小的程序段組成，而在執行時，必須按照某種先后順序逐個執行，僅當前一個操作執行完畢后才可以執行后繼操作。故我們可以得出程序順序執行時的前趨圖，如圖1所示[2]。

圖1描述的前趨關系為:IiàCiàPi。每個程序段必須按照輸入(I)、計算(C)、打印(P)的順序執行，一個程序段執行完畢后，下一個程序段才能開始并且按照相同的順序執行。

考慮各程序段并發執行，為了減少程序運行的時間，我們應當使整個執行過程中的某些步驟并行執行，即在執行程序1的某個步驟時，使程序2的某個步驟同時執行。而在各個程序段執行過程中，所占用的計算機資源是不同的。例如:輸入步驟占用輸入設備，如鍵盤;計算步驟占用處理器;打印步驟占用打印機。這樣各個程序段中占用相同計算機設備的步驟顯然不能夠同時執行，只能讓占用不同資源的步驟并行執行，而程序段內部仍然按照原來的順序進行，如圖2所示[2]。

起初，程序1執行其第一個步驟——輸入，當程序1執行計算步驟時，計算機的輸入設備處于空閑狀態，故可以讓程序2同時執行其輸入操作，這樣程序1的計算步驟就和程序2的輸入步驟并發執行了。同理，當程序1執行到打印步驟，程序2并行執行到計算步驟時，計算機的輸入設備又一次處于空閑狀態，故可以使程序3的輸入步驟和程序1的打印步驟、程序2的計算步驟并發執行。如此進行下去，就形成了整個程序的并發執行過程。

然而，單純的這樣一張圖，是不能夠讓學習者清楚的了解這個知識點的含義，甚至還會引起誤解，混淆輸入步驟、計算步驟和打印步驟之間的執行關系。在筆者制作的Flash解釋材料中，完整演示了各個步驟并行運行的情況。

在每個并行執行時刻，并行執行步驟都會發光以提示讀者，如圖3所示[3]，程序正好執行到三個程序第一次并行執行的時刻，三個發光的進程代表它們同時進行，一方面前趨關系可以通過進程間聯系的箭頭顯示，另一方面并發程序塊有哪些也是一目了然的(發光顯示)。Flash技術在展現動態發生過程的直觀性毋庸贅言。

1.3進程同步問題

1.3.1概述

在多道程序環境下，進程同步問題是一個非常重要的研究對象。進程同步的主要任務是對多個相關進程在執行順序上進行協調，以使并發執行的諸進程之間能夠有效的共享資源和相互合作，從而使程序的執行具有可再現性。例如，兩個用戶(可以假設為用戶A和B)同時要求對某個銀行賬戶進行操作時，賬戶內原本存有500元，A欲存入200元，B欲取出100元，下面列舉一種可能出現的情況:

(1)A讀出銀行賬戶存款為500元。

(2)B讀出銀行賬戶存款為500元。

(3)A存入200元，但是處理結果還沒有提交時(即賬戶存款沒有更新為700元)，發生下一步驟。

(4)B取出100元，并提交更新結果，即賬戶存款變為400元(因為B讀到的余額為500元)。

(5)A提交處理結果，即賬戶余額更新為500+200 =700元。

顯然最后的結果并不符合實際情況:賬戶應該剩余600元，但實際卻剩余700元。同樣地，如果對進程的同步運行沒有合理的管理，也會出現異常的情況。進程同步的研究意義也就不言而喻了。

1.3.2經典同步問題簡介

在學者們感興趣的進程同步問題中，典型的有:“生產者——消費者問題”、“讀者寫者問題”和“哲學家進餐問題”。筆者將結合Flash技術重點講述“哲學家進餐問題”。

1.4哲學家進餐問題

1.4.1問題描述[4]

該問題是由Dijkstra提出并解決的經典的哲學家就餐問題。該問題是描述有五個哲學家共用一張圓桌，分別坐在周圍的五張椅子上，圓桌上有五個碗和五根筷子，他們的生活方式是交替的進行思考和進餐。平時，一個哲學家進行思考。饑餓時便試圖取用其左右最靠近他的筷子，只有在他拿到兩根筷子時才能進餐，進餐完畢放下筷子繼續思考。

1.4.2問題分析與解決

經過分析可知，放在桌子上的筷子是臨界資源，在一段時間內只允許一位哲學家使用，為實現對筷子的互斥使用，可以用互斥量表示一根筷子，由這五個信號量構成信號向量組。描述如下:

在以上的描述中，當哲學家饑餓的時候，總是先去拿他左邊的筷子，即執行wait(chopstick[i])，成功后，再去拿他右邊的筷子，即執行wait(chopstick[ (i + 1) mod 5])，成功后，可以進餐。進餐完畢，又先放下他左邊的筷子，然后再放下他右邊的筷子。雖然以上的方法，可以保證不會有兩個以上的哲學家同時進餐，但是有可能引起死鎖。假如五個哲學家同時拿起左邊的筷子，就會使五個信號量chopstick均為0;當他們再試圖去拿右邊的筷子時，都將因無筷子可拿而無限期等待。對于這樣的死鎖問題，可以采取以下幾種解決方法:

(1) 至多只允許四位哲學家同時去拿左邊的筷子，最終能保證至少有一位哲學家能夠進餐，并在用餐完畢時釋放他所使用的兩根筷子，從而使更多的哲學家可以進餐。

(2) 僅當哲學家左右兩側的筷子均可用時，才允許他拿起筷子進餐。此時，即轉換為AND同步問題。

(3) 規定奇數號哲學家先拿他左邊的筷子，然后再去拿他右邊的筷子，而偶數號的哲學家則相反。按此規定，將是1、2號哲學家競爭1號筷子;3、4號哲學家競爭3號筷子。即五位哲學家都先競爭奇數號筷子，獲得后，再去競爭偶數號筷子，最后總有一位哲學家能夠獲得兩根筷子而進餐。

1.4.3Flash技術講解

筆者制作的哲學家進餐問題的材料是，原始問題的一個變種問題，其中的共享變量變為一雙筷子和一把叉子，對應的，當且僅當哲學家同時獲得了身邊的一雙筷子和一把叉子時，才可以進餐(問題的原理是沒有變化的)。如圖4所示。

筆者在演示過程中考慮了所有可能出現的情況，同時為了便于讀者對Flash的播放進度進行控制，也設置了播放和暫停按鈕。

圖5描述的是第一個場景，即某哲學家準備進餐并且身邊的筷子和叉子都可以獲得，此時，哲學家可以進餐，并且身邊的叉子和筷子屬性更改為不可用，直到該哲學家進餐完畢。

圖6描述的是第二個場景，即某哲學家準備進餐，但是身邊的筷子和叉子不能同時獲得，此時，哲學家不可以進餐，需要等待。即等待執行操作[2]:

wait(fork);

wait(chopsticks);

另外，對應還有2個場景是上述2種情況下，當哲學家進餐完成后，需要放回筷子和叉子，使旁邊的哲學家有可能進餐。

通過對所有可能出現情況的解釋，我們理解了整個哲學家就餐問題的過程。在具體操作過程中，教師可以通過交互按鈕對動畫的播放過程進行控制，到了關鍵的步驟可以暫停動畫的播放，讓學生說出接下來發生的狀況，然后使動畫繼續播放，以印證學生回答的正誤。

2總結

2.1Flash的特點

Flash課件可以動態的展現事情發展的整個過程，對于操作系統中一些抽象的知識，用Flash來進行講解，比書中的圖片解釋效果要好得多。連續動畫的播放，足夠詳細闡釋某個過程的發展。適當的添加一些交互式按鈕(如播放、暫停、繼續等)可以讓讀者自己控制動畫的播放，有利于讀者的自學。Flash中對色彩、圖形進行合理、巧妙的設計，更能滿足讀者的審美需求。Flash生動具體的表現能力，使抽象的過程能夠生動具體化，這是所有特點中最重要的。

2.2Flash對操作系統課堂教學的意義

在專業知識的傳授過程中，我們的目標就是先用最容易理解的方式來解釋其中的原理，然后再讓學生結合自己的理解獲得對問題的全面認識。利用Flash技術最顯而易見的好處，是將深奧繁瑣的操作系統原理，用簡單的動畫加以解釋說明，這樣就大大降低了授課的難度。

在各高校中，由于操作系統課程安排的時間普遍比較少，同時學習的內容又增加了，所以就要求在有限的時間里完成更多的教學任務，這對教學方法和教學方式都提出了新的挑戰。傳統的教學模式下，課堂上借助書本、PPT等資料，解釋的過程也只是先前學習過程的重復，很難獲得新的理解;對學生知識點理解的檢查，是通過口頭回答或者上黑板做練習的方式，既浪費時間又不一定能夠達到目的;同時，從前高校的小班教學也隨著班級人數的增加發生了變化，要在課堂上讓每個同學都理解所講的知識點也就不太現實了。

然而，通過Flash技術的引進，很好的解決了上述的問題。教師可以合理的控制Flash課件的播放，在關鍵部分重點解釋(也可以調節Flash動畫播放的速度)，在生動的展現過程中，有針對性的解決疑問;Flash課件中添加相關的練習，在播放的過程中提出問題并解答提問，并由播放的結果加以印證，從而高效的達到了教學的目的;對于簡單的知識點，課堂上只需要簡單介紹，節省時間。課后，學生可以自己演示動畫并結合書本學習，在相同的課堂時間，把更多的時間可以安排在重、難點上。

另外，教師授課過程也隨著Flash技術的引入而發生了變化。從前，上課前教師必須準備充分的材料，以幫助學生更順利的掌握知識點;課堂上，甚至還需要在黑板上繪制各種表格圖像，以解決疑難;Flash課件的出現，讓教師只需要控制交互式按鈕，即可達到教學的目的。

2.3Flash對操作系統學生學習的意義

一般來說，學生掌握知識的過程分為兩個部分，即課堂上的聽講和課后的鞏固。在課堂聽講后，將不理解的部分做上標記，課后可以通過到圖書館中查找資料、向同學、老師請教或者上網等方式來解決疑惑，從而掌握知識點。雖然這種傳統的方式有利于學生自學能力的培養，然而畢竟花費了太多的時間。引入Flash課件后，掌握知識的過程仍然是這兩個部分，但是在課堂上不理解的知識點已經有所減少，到了課后，學生可以根據自己的需要控制Flash課件的播放，理解的速度必然會加快，再結合上課老師的講述和自己做的筆記，學習的效率會顯著的提高。

2.4Flash與操作系統知識結合的不足

當然，用最自然的方式闡述專業化的知識，也不可避免的存在一個問題——生動性的降低。Flash本身就是以圖片場景的組合來表達意思的，但是專業化的知識，必須考慮到學術的嚴謹性，在場景播放中也不可避免的會出現一些文字說明，有時還是大量的，這對Flash的生動表達無疑是明顯的損害。

綜合來看，Flash技術用于操作系統知識的解釋無疑還是成功的。

參考文獻:

[1] 湯小丹，梁紅兵，哲鳳屏，等. 計算機操作系統[M]. 3版. 西安:西安電子科技大學出版社，2007.

[2] 鄒恒明. 計算機的心智:操作系統之哲學原理[M]. 北京:機械工業出版社，2009.

[3] 汪國安，侯秀紅，周星，等.計算機操作系統課程及考研輔導[M]. 北京:機械工業出版社，2004.

[4] Gary Nutt. Operating Systems[M]. 3rd ed. New York:Addison-Wesley，2004.

The Research on Dynamic Teaching Method Based on the Course of Operating System

JU Wei ， XU Yun-long

( School of Computer Science and Technology， Soochow University， Suzhou 215006， China)

Abstract: This paper introduces a teaching method in an operating system course with the using of the Flash technology， which can help us display things in a continuous way， based on three concepts， i.e. Precedence Relation Chart， Problems of Synchronization and The Dining-Philosophers Problem， and emphasizes the significance of Flash technology in the study of the Operating System.

Key words: process; synchronization; mutual exclusion; semaphores; precedence relation chart

(編輯:白杰)