操作系統教學中進程同步控制模型的設計

摘要操作系統課程中進程的同步控制設計是一個難點，本文通過分析單向生產消費過程，提取出單向同步控制模型并進行了模型拓展，模型成功運用于實際問題的解決，教學實踐證明這個模型的可用性。模型的設計與使用，簡化了學生對同步控制的理解和應用過程，收到了很好的教學效果。

關鍵詞進程同步同步控制模型

中圖分類號：G40-034文獻標識號：A

The Application of Research Study in Teaching

Process Synchronization Control

PAN Lin[1]， HE Xueyun[2]， YANG Changhui[3]

([1]Institute of Command Automation， PLA UNIVERSITY OF

SCIENCE AND TECHNOLOGY， Nanjing， Jiangsu 210007；

[2]Nanjing University of posts and Telecommunications， Nanjing， Jiangsu 210003；

[3]Chongqin University of Technology，Chongqing 400054)

AbstractSynchronization control design is a difficulty during operating system teaching. We distill the unilateralism synchronization model from odd production-consumption course， and reasoning bidirectional model. The model are exerted in practice problem. Teaching practice prove the model’s usability. The mode simplify students’ understandability and application， and bring good teaching effect.

Key wordsprocess synchronization; synchronization control; model

0 引言 進程同步控制的復雜性

進程同步，是指為完成共同任務的一組并發進程，基于某個條件來協調它們的活動順序，即一個進程的執行依賴于另一個進程的消息或信號，進程或者等待消息或信號，或者獲得消息或信號而繼續執行。①進程的同步主要是采用信號量機制來實現同步控制的。①②

不同的同步問題涉及的同步進程數量是不同，而且同步的形式變化多樣，問題描述也往往比較繁瑣。教師在教的過程中，沒有一個統一的方法可以簡化同步控制的形式和過程，收到的效果很差；學生學習得很痛苦，解決實際問題時很茫然，常常覺得無從下手。

1 進程同步控制基本模型的設計

同步進程之間的推進順序是進程之間的一組必然聯系，那么如何才能安全、正確地實現這組必然的推進順序呢？我們以經典的生產—消費問題為基礎，從其中抽取基本同步模型，在基本模型的基礎上規律化進程的同步控制。

在面對各種各樣的進程同步的問題時，我們首先要分析并畫出其中的同步關系圖，然后利用基本同步模型，把同步關系圖轉換為具體同步控制模型，即定義信號量和安排同步控制，最后按照模型實現同步算法。

1.1 基本單向同步控制模型的抽取

我們以典型的一次生產和消費過程來抽取基本同步模型。

問題描述：生產者把產品生產出來，送入倉庫。給消費者發信號，消費者得到信號后，到倉庫取產品。這是一個單向同步問題，從生產到消費的狀態變化如表1所示。

表1單向生產消費狀態變化情況

其同步推進順序可以用圖1(a)表示：

圖1(a)單向同步關系圖

為確保生產消費推進順序，需要用product表示是否有產品，PV操作來控制同步，狀態變化如表2所示。

表2 單向生產消費同步變化情況

從表2可以抽取出基本單向同步控制模型，如圖1(b)。這個模型中，用有向邊表示同步關系，其方向就是同步進程的推進順序，傳送一個信號量m，其初始值為0，對m的PV操作分散在兩個進程中，且先V后P。

圖1(b)基本單向同步控制模型圖

1.2 推導：基本雙向同步模型

問題描述：多次生產消費，這是一個雙向同步問題，生產者把產品生產出來，送入倉庫，給消費者發信號；消費者得到信號后，到倉庫取產品，給生產者發信號；循環往復。從生產到消費、再又從消費回到生產的狀態變化如表3所示。

表3雙向生產消費狀態變化情況

雙向同步推進順序可用圖2(a)表示：

圖2(a)雙向同步關系圖

為實現雙向同步，需要用product表示是否有產品，room表示是否有空間，PV操作來控制同步，狀態變化如表4所示。

表4雙向生產消費同步變化情況

從表4可以抽取出基本雙向同步控制模型，如圖2(b)。這個模型中，傳送一個信號量m1（初值為0）和m2（初值為1），m2初值必須為1以確保反向的同步。

圖2(b)基本雙向同步控制模型圖

2 案例應用

2.1 問題描述及分析

問題描述：桌上有一空盤，最多可容納2個水果，但每次僅允許放入或者取出一個水果。爸爸專向盤中放蘋果，媽媽專向盤中放桔子，兩個兒子專等吃盤中的桔子，兩個女兒專等吃盤中的蘋果。用信號量和 PV操作實現爸爸、媽媽、女兒、兒子間的同步。

問題分析：這是生產—消費的一個變形，父親和女兒之間有一對雙向同步，母親和兒子之間也有一對雙向同步，盤子相當于一個大小為2的緩沖區；但是這兩對雙向同步不會同時出現，因為限定每次只放或取一，放或取的動作可以看作是臨界資源，需要進行互斥；其同步關系用圖3(a)表示：

圖3(a) 吃水果同步關系圖

2.2 構建同步關系模型

本同步問題中，需要傳遞3個信號量分別表示Or（盤是否有橘子）、a（盤中是否有蘋果）、e（盤子是否空），初始值分別為Or = 0、a = 0、e = 2；其同步模型用圖2(b)表示：

圖3(b)吃水果同步控制模型圖

2.3 同步控制算法的設計與實現

在本問題中，父親、母親、兒子、女兒之間，無論誰從盤子中取或放水果，取或放的動作是互斥的，因此，還需要一個互斥信號量mutex，初始值為1。

semaphore e=2，Or=0， a=0;

semaphore mutex=1;

cobegin

3 總結

在同步控制模型的分析設計過程中，我們采用了研究性學習方法，③向學生提出了構建基本同步模型和應用模型解決實際問題④⑤的任務，由教師引導學生分析單向同步問題，抽取基本同步模型并推導出雙向同步模型，最后由學生獨立運用同步模型解決實際問題。這個模型的設計，簡化了學生對進程同步控制的理解，在實際同步問題的應用中設計思路更加清晰，課堂教學過程更加生動，教學效果明顯。

注釋

①孫鐘秀等.操作系統教程(第4版)[M].北京:高等教育出版社，2008:168.

②[荷]塔嫩鮑姆著.現代操作系統(第3版)[M].北京:機械工業出版社，2009:73.

③楊保雄.CMC的特征與網絡研究性學習指導策略[J].中國遠程教育，2002.3:14.

④董翔英等.問題意識與大學計算機教育[J].計算機教育，2005.6.

⑤章雅娟.問題意識在操作系統課程中的實踐[J].科技資訊，2007(1):192.

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