論計算機操作系統原理中蘊含的生活智慧

趙華 樊建聰 張金泉 李旭健

摘要：操作系統是計算機資源的管理者，其中的許多原理都可以用于指導現實生活。文章以三個概念為例將操作系統中的重要概念與生活中常見問題相結合，具體探討了顛簸與設定目標過多、上下文切換與目標不專注、虛擬存儲器與非理性消費之間的關系，深入挖掘操作系統原理中蘊含的生活智慧。

關鍵詞：操作系統；顛簸；上下文切換；虛擬

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）43-0259-02

一、引言

計算機系統是一個非常復雜的系統，其中包含了多種硬件、多種軟件。而操作系統（Operating System，OS）作為用戶和計算機硬件之間的接口[1]，管理著計算機中的各類資源，具體包括CPU管理、內存管理、外存管理以及I/O管理。具體來講，OS管理和分配計算機系統的硬件和軟件，使之能為用戶提供良好的服務，并保證各類應用程序正常運行。對于用戶而言，我們很難想象如何去使用一個未配置操作系統的計算機。從一定意義來講，沒有了操作系統，計算機系統將寸步難行。隨著科學技術的發展，計算機的功能和復雜性越來越復雜，相應的，操作系統所需要掌控的事情也越來越多，越來越復雜[2]。能將如此復雜的系統管理的有條不紊，操作系統本身是充滿智慧的（當然OS的智慧是OS設計者賦予的）。我們作為自己生活的管理者，只有妥善管理和自己相關的各種資源和事務才能讓我們的工作和生活更加美好。

二、OS原理中蘊含的生活智慧

1.顛簸與設定目標過多。在支持虛擬存儲管理方案的系統中，允許只裝入進程的一部分（而非全部）便開始運行進程。然而，如果一個進程沒有獲得其運行過程中所需要的所有物理內存空間，那么它在運行過程中會發生頁錯誤（缺頁，即所要訪問頁面還沒有進入內存），如果此時物理內存中已經沒有多余的空間，那么需要置換某個已經在內存中的頁，然而目前在內存的所有頁都在使用，所以置換的頁會再次需要被需要，然后再置換。因此，如果給進程分配的物理頁太少，進程在運行過程中會一再地產生頁錯誤。這種頻繁的頁調度行為稱為顛簸，也稱為抖動（Trashing）[3]。

一旦系統產生顛簸，進程的大部分時間都將用于頁面的置換，而幾乎不能再去做任何有效的工作，此時系統的效率和停滯差不多，所以顛簸是系統發生的一個非常嚴重的問題。那么為什么會產生顛簸呢？這需要從多道程序設計技術談起。操作系統發展初期，只能支持單道程序設計技術，此時CPU和I/O設備的利用率都非常低。為了改善這一情況，引入了多道程序設計技術，即允許多個進程并發存在，從而提高了處理機和設備的利用率。但是有了虛擬存儲技術以后，多道程序度與處理機的利用率實際情況如圖1所示[1]。從圖中可以看出，處理機的利用率并不是隨著多道程序度的增加而一直遞增的，當多道程序度增加到一定程度再引入新的進程的話，CPU利用率反而會急劇下降，此時便是發生了抖動。

現實生活中很多同學的學習生活中也存在顛簸現象，許多同學一段時間給自己設定了太多的目標，尤其是大一的學生們，剛進入大學校園一切都是那么的新鮮，同時又沒有了像高中那么大的學習壓力，所以會參加許許多多的社團。但是殊不知在剛進入大學的時候，同學們還面臨著一個很重要的問題就是從高中的學習方式轉變到大學的學習方式，如果這個時候從事太多與學習無關的工作，勢必會耗費太多的精力，從而用在學習的時間無法保證。

2.上下文切換與目標不專注。進程（Process）是計算機中的程序關于某數據集合上的一次運行過程，是OS的基礎。進程在運行過程中，需要一定的環境，比如存放在存儲器中的程序的代碼和數據、棧、通用目的寄存器的內容，程序計數器，環境變量以及打開文件描述符的集合等，這樣的運行環境我們稱之為進程的上下文?，F代操作系統都支持多個進程的并發執行，所謂并發是指在一段時間內多個進程可以同時存在于內存中，而且他們的指令是交錯執行的。當OS決定要將控制權從當前進程轉移到某個新進程時，就要將當前進程的上下文保護起來，然后恢復新進程的上下文，然后將控制權傳遞給新進程，新進程就會從上次停止的地方開始執行。上下文切換的示意圖如圖2所示。通過上下文切換機制，使得多個進程在OS上并發執行成為了可能，但是從圖2可以看出，上下文切換的時間既沒有用于執行當前進程也沒有用于執行新進程，所以這部分時間屬于時間損耗[4]。上下文切換越頻繁，時間損耗越大。

上下文切換所帶來的時間損耗例子在我們現實生活中經常遇到。從短時間的事件來看，有些同學在某時間段的學習過程中不停的切換學習科目，導致學習效率非常低。而從長時間的事件來看，有些同學參加了工作以后會感覺工作不順心，頻繁地跳槽，很多情況下導致工作業績平平。無論短時間的事件還是長時間的事件，這些同學們都犯了同樣的問題，就是在新舊工作交替的過程中，我們每個人都需要從一個工作（思維）模式轉換到另一個工作（思維）模式，這期間會耗費很多時間和精力去適應。敏捷[5]開發價值觀之一便是專注，其含義是指在一段時間內只專注于少數幾件事情，以便可以很好地獲得優質的產出，能夠更快地交付有價值的事項。這個價值觀其實也是在說我們學習和工作中要盡可能地目標專注，這樣才能更快更好地出成績。

3.虛擬存儲器與非理性消費。虛擬存儲器（Virtual Memory）是計算機內存管理的一種技術[6]。該技術的提出主要源于早期計算機內存不夠大，為了讓比較大的進程運行起來，基于進程執行的局部性原理，提出了可以將先將進程的一部分讀入內存從而讓進程運行起來，進程的其余部分仍然駐留在磁盤（對換空間）中。進程在運行過程中會產生缺頁（即將要訪問的內容還沒有進入內存），此時產生缺頁中斷，然后將缺少的內容調入到內存中。通過這樣的請求調頁、置換等操作，可以讓小內存運行大的作業，從而給用戶造成系統內存足夠大的假象，此即虛擬性的含義所在。虛擬存儲器邏輯容量是內存和外存之和，然而現實應用中不能將虛擬存儲器設置的過大，因為如果把太多內容都放在虛擬存儲器上，而內存中只裝入很少一部分內容的話，進程在運行過程中會出現多次缺頁，而每次缺頁都要去訪問磁盤，效率將會大大降低，嚴重的時候會發生上述的顛簸現象。改革開放以來，受美國等一些西方國家的影響，消費主義思潮涌入我國[7]。大學生作為一支非常年輕而又有活力的群體，對新鮮事物具有很高的敏銳性和更強的接受能力。

三、結束語

操作系統作為計算機系統資源的管理者，能將如此復雜的計算機系統管理的有條不紊，其中蘊含的許多原理可以用于指導我們的生活和工作。在多年教學經驗的基礎上，文章以三個操作系統概念為例，剖析了其中的原理，并將其對應到現實問題，為我們的工作和生活提供一定的指導。

參考文獻：

[1]湯小丹，梁紅兵，哲鳳屏，湯子瀛.計算機操作系統（第四版）[M].西安電子科技大學出版社，2015.

[2]鄒恒明.操作系統之哲學原理[M].機械工業出版社，2012.

[3]Abraham Silberschatz，Peter Baer Galvin，Greg Gagne.Operating System Concepts （Seventh Edition）.Higher Education Press，2008.04.

[4]于廣良，楊孟飛.考慮中斷和上下文切換開銷的響應時間分析[J].軟件學報，2017，29（6）：1-20.

[5]榮國平，劉天宇，謝明娟，陳婕妤，張賀，陳道蓄.嵌入式系統開發中敏捷方法的應用研究綜述[J].軟件學報，2014，25（2）：267-283.

[6]趙華，張金泉，樊建聰.多元化教學方法在操作系統教學中的應用[J].計算機教育，2013，（15）：36-38.

[7]屈朝霞，董國靜.消費主義思潮影響下大學生科學消費觀的培育[J].山東科技大學學報（社會科學版），2013，15（6）：89.

Abstract：Operating system is the manager of computer resources，many of which can be used to guide real life.The relationship between bumpy and goal-setting，context switching and unfocus，virtual memory and irrational consumption is discussed，and the wisdom of life contained in the principle of operating system is deeply explored.

Key words：operating system；bumpy；context switching；virtual