操作系統教學方法的若干思考

　　摘要：針對操作系統課程存在涉及面廣、實踐性強，很多概念和算法相當抽象，初學者不易理解的教學實際，在分析情景教學法、比喻教學法和理論聯系實際等教學方法的基礎上，本文提出在操作系統教學中使用多種教學法的觀點，結合授課實際，在操作系統課程教學中取得了生動形象的效果。
　　關鍵詞：操作系統；情景教學；比喻教學；理論聯系實際
　　
　　操作系統是計算機系統的基本組成部分。同樣，操作系統課程也是計算機教學的基本組成部分，是計算機專業的重要專業基礎課。操作系統作為計算機硬件和計算機用戶之間的中介，對下直接與硬件打交道，對上提供方便的用戶接口。操作系統課程涉及了計算機體系結構/硬件、軟件設計以及程序設計語言、數據結構和網絡等領域，具有實踐性強、涉及面廣和錯綜復雜等特點。其理論中的許多概念、算法相當抽象，導致初學者不易理解，從而難以掌握。
　　1多種教學方法在教學中的應用
　　1.1情景教學法
　　情景教學就是設計出一些真實性或準真實性的情形和景象[1]，為教學提供充足的實例，并活化所教授的知識。情景的生動與形象有助于學生把知識融于生動的情景之中，提高學習興趣。
　　教師可以在操作系統教學中精心安排的情景為線索，結合操作系統的功能，并在講解中對所涉及的算法和數據結構進行有針對性地介紹，把操作系統的工作流程串聯起來，使學生對操作系統有一個形象、系統的了解，從而進一步加深學生對操作系統知識的學習和掌握。
　　操作系統的工作之一就是控制程序的執行，即負責啟動每個程序以及結束程序。
　　初學程序者，接觸到的第一個程序往往是簡單的hello程序。其源代碼如下：
　　#include
　　intmain()
　　{
　　printf("helloworld\");
　　return0;
　　}
　　對此，我們可以設計一個情景教學單元[2]，通過跟蹤hello程序的生命周期來學習操作系統的工作流程，hello的生命周期從它被程序員創建開始，包括運行、輸出簡單的消息，然后終止。
　　我們知道，源程序編輯好后，經過預處理、編譯、匯編、鏈接等處理得到可執行文件hello，并被存放到外存上。為了在Linux運行該可執行文件，我們輸入它的文件名。
　　當用戶登錄進入Linux系統時，同時啟動一個shell進程。shell管理用戶與操作系統之間的交互，即：等待用戶輸入，向操作系統解釋用戶的輸入，并輸出操作系統的處理結果。
　　在命令提示符后輸入命令后，shell讀入這個命令行并對其進行解析，將它分解為詞。接著，shell檢查第一個詞是內置命令還是磁盤上的可執行程序。若是內置命令，shell就在自己內部執行它。否則，shell將在路徑變量所指的目錄中查找這個程序。當用戶在鍵盤上鍵入hello并按回車后，shell在指定的目錄找到了hello的可執行代碼，shell用fork創建一子進程來執行它。之后，shell會執行waitpid系統調用進入睡眠(或等待)狀態直至該子進程結束。
　　用fork創建的子進程是由父進程即shell進程的地址空間的復制組成。兩個進程都繼續執行位于系統調用fork之后的指令，不同的是：對于新(子)進程，系統調用fork的返回值為0；而對于父進程，返回值為非零。調用fork后，子進程使用系統調用execlp。execlp將hello二進制代碼裝進內存，消除了原來包含系統調用的程序的內存映射，并從hello二進制代碼的起始處開始運行。
　　當hello子進程結束后，喚醒shell父進程，shell會根據需要報告程序的退出狀態。此時，屏幕上又會出現命令提示符，整個過程重頭開始。
　　通過情景教學，可以引出以下結論：進程是操作系統對運行程序的一種抽象，在一個系統上可以同時運行多個進程，而每個進程都好像在獨占地使用硬件，我們稱之為并發運行，從微觀看一個進程的指令和另一個進程的指令是交錯執行的。操作系統實現這種交錯執行的機制稱為上下文切換。操作系統保存進程運行所需的所有狀態信息，這種狀態就是上下文，比如PC和寄存器文件的當前值以及主存的內容。在任何一個時刻，單處理機系統都只有一個進程正在運行。當操作系統把處理機控制權從當前進程轉移到某個新進程時，就會進行上下文切換，即保存當前進程的上下文、設置新進程的上下文，然后將控制權轉移到新進程，新進程開始執行。
　　該情景形象地描述了操作系統的主要流程，讓學生對操作系統的功能有一個全面而系統的了解，增強了他們的學習積極性，因而有效地提高了教學效果。
　　1.2比喻教學法
　　比喻教學法[3]是一種打比方的方法，它將兩個本質上有異曲同工之處的事物相聯系。通常選擇一個學生熟悉的事物，將其引申至未知或抽象的事物，達到讓學生更好地認識新事物的目的。恰當的比喻有時勝過千言萬語，它可以化難為易，讓人豁然開朗。
　　比喻教學法是一種有效的授課方法，可以使學生加深對概念的理解，激發學生的學習興趣，學習效果也會明顯改善，教學質量將會有很大提高。
　　在進程管理一章中，整型信號量機制中的wait操作，當信號量S≤0時，就會不斷地測試，該機制并未遵循“讓權等待”的準則，而使該進程處于“忙等”的狀態。因此引進了記錄型信號量機制：
　　type semaphore=record
　　value:integer;
　　L:list of process;
　　End
　　其中，s.value表示資源信號量，代表資源數目；S.L表示等待信號量鏈表，鏈接等待進程。其相應的wait(s)和signal(s)可描述為：
　　Procedure wait(s)
　　var S:Semaphore;
　　 begin
　　s.value:=s.value-1;
　　if s.value<0 then block(S.L);
　　end;
　　Procedure signal(s)
　　 var s:semaphore;
　　begin
　　s.value:=s.value+1;
　　if s.value≤0 then wakeu