啟發(fā)式教學(xué)在進(jìn)程同步中的應(yīng)用

王春梅 濱州學(xué)院信息工程學(xué)院

引言

進(jìn)程同步問題既是操作系統(tǒng)課程的重點也是其難點，進(jìn)程同步是由進(jìn)程之間的前趨關(guān)系造成的直接制約關(guān)系。在進(jìn)程同步問題中，既包含進(jìn)程的并發(fā)性、進(jìn)程間前趨關(guān)系，還包含如何利用記錄型信號量解決進(jìn)程間的制約關(guān)系，多個概念交織在一起，往往令學(xué)生望而生畏，理解和掌握的程度較低，打擊了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

啟發(fā)式教學(xué)，是20世紀(jì)60年代中期創(chuàng)建的教學(xué)方法，根據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)、知識內(nèi)容邏輯和學(xué)生知識水平，采用多種方式，以啟發(fā)學(xué)生的思維為核心，通過調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，從而促進(jìn)學(xué)生知識理解、能力培養(yǎng)和身心發(fā)展的一種教學(xué)方法。

1 進(jìn)程同步的基本概念及解決機(jī)制

（1）進(jìn)程同步

某些應(yīng)用程序，為了完成某任務(wù)而建立了兩個或多個進(jìn)程。這些進(jìn)程將為完成同一項任務(wù)而相互合作。進(jìn)程間的直接制約關(guān)系就是源于它們之間的相互合作。有向無循環(huán)圖（DAG，Directed Acyclic Graph）可以更好的描述進(jìn)程之間的執(zhí)行次序。圖中的結(jié)點用來表示一個進(jìn)程，結(jié)點間的有向邊表示兩個進(jìn)程之間的前趨關(guān)系。一般表示為PiPj，表示Pj開始執(zhí)行之前Pi必須完成。

（2）記錄型信號量機(jī)制

進(jìn)程同步機(jī)制的主要任務(wù)是對多個相關(guān)進(jìn)程在執(zhí)行次序上進(jìn)行協(xié)調(diào)，使并發(fā)執(zhí)行的諸進(jìn)程之間能按照一定的規(guī)則共享系統(tǒng)資源，并能很好地相互合作，從而使程序的執(zhí)行具有可再現(xiàn)性。

記錄型信號量的定義及相應(yīng)的wait(S)和signal(S)操作如下：

在該信號量中，S.value的初值表示系統(tǒng)中某類資源數(shù)量，list鏈表用來指向由于申請資源不成功而阻塞的進(jìn)程。由以上wait(S)代碼可知，wait操作是指進(jìn)程申請一個資源，并且當(dāng)申請資源不成功時，調(diào)用block原語主動阻塞，并插入到S.list中，并且list中阻塞的進(jìn)程數(shù)為|S.value|。signal操作代表進(jìn)程釋放一個資源，若釋放一個資源后S.value=＜0，則表示在list中仍有等待資源的進(jìn)程，所以應(yīng)該調(diào)用wakeup原語，喚醒S.list中的第一個進(jìn)程，所以記錄型號量機(jī)制遵循空閑讓進(jìn)、忙則等待、有限等待和讓權(quán)等待四條準(zhǔn)則，是比較完善的同步機(jī)制。

2 進(jìn)程同步的啟發(fā)式教學(xué)過程

2.1 現(xiàn)實中的教學(xué)實例

進(jìn)程同步的例子廣泛存在于現(xiàn)實生活中，例如將蓋一棟教學(xué)樓分為①設(shè)計圖紙，②打地基，③蓋樓，④裝修四個環(huán)節(jié)，那么它們之間就存在①②③④的前趨關(guān)系，還有就是大家比較熟悉的4*100米接力賽如果派出A、B、C、D四名同學(xué)分別跑第一棒、第二棒、第三棒和第四棒，那么這四名同學(xué)之間就存在ABCD的前趨關(guān)系。

2.2 啟發(fā)式教學(xué)思路

關(guān)于進(jìn)程同步問題，課程教學(xué)目標(biāo)是掌握利用記錄型信號量機(jī)制解決進(jìn)程的同步問題。選取大家都非常熟悉的4*100米接力賽為例，提出思考問題；然后引導(dǎo)學(xué)生對該問題進(jìn)行思考以及尋找解決問題的方案。之后啟發(fā)學(xué)生將現(xiàn)實中的問題解決方案應(yīng)用與進(jìn)程同步問題；最后進(jìn)行反饋和總結(jié)。

2.3 啟發(fā)式教學(xué)過程

首先提出問題一：在4*100米接力賽中，班內(nèi)派出四名同學(xué)A、B、C、D分別跑第一棒、第二棒、第三棒及第四棒，那么四名同學(xué)在跑步的過程中能不能停下來？

大多數(shù)同學(xué)都會想到，同學(xué)在跑步過程中不會主動停下來，但是如果摔倒的話，那么他們是必須要停下來的。

問題二：如果是A同學(xué)在跑步過程中摔倒停了下來，如果保證B不搶跑？

大多數(shù)同學(xué)都會想到，B同學(xué)沒有拿到接力棒就跑，那么就會被判為成績無效。以此類推，對于C、D同學(xué)也是需要拿到接力棒才可以起跑。

問題三：在4*100米接力賽中，接力棒起到了什么作用？

通過思考，大多數(shù)同學(xué)會想到，接力棒是為了保證四名同學(xué)按照4*100米接力賽規(guī)則完成比賽，防止出現(xiàn)搶跑等現(xiàn)象，也就是只有A跑完第一棒，B才可以起跑，以此類推。

以上利用一個用于表示資源數(shù)目的整型變量S以及wait(S)和signal(S)操作稱為整型信號量機(jī)制，很明顯，整型信號量機(jī)制比鎖機(jī)制更有效。

問題四：4*100米接力賽和進(jìn)程同步問題的對應(yīng)關(guān)系是什么？

引導(dǎo)思考：四名同學(xué)要執(zhí)行跑步這個任務(wù)，所以對應(yīng)于操作系統(tǒng)中的進(jìn)程；四名同學(xué)在跑步過程中摔倒停下來，對應(yīng)于進(jìn)程的并發(fā)性。只有A同學(xué)跑完第一棒，將接力棒傳遞給B，B才可以起跑，所以A、B同學(xué)之間關(guān)系對應(yīng)于進(jìn)程之間的前趨關(guān)系A(chǔ)B。以此類推，四名同學(xué)之間存在ABCD的前趨關(guān)系。

問題五：怎樣利用記錄型信號量來實現(xiàn)接力棒的作用，也就是既要保證進(jìn)程的并發(fā)性（同學(xué)在跑步過程中摔倒停下來）還要保證進(jìn)程之間的前趨關(guān)系（既是A停下來，B也不能跑，除非A跑完第一棒）。

引導(dǎo)思考：接力棒可以看做是同學(xué)起跑的信號或者條件，對于B同學(xué)來說，只有A跑完第一棒，B同學(xué)起跑的條件才成立。所以在A、B同學(xué)之間可以設(shè)置一個信號量SAB表示A跑完第一棒，B起跑的條件，所以SAB初值為0，只有A跑完第一棒，才能將該條件釋放，對應(yīng)的B在起跑前要申請該條件，如果成立才能起跑。

3 結(jié)束語

通過啟發(fā)式教學(xué)，同學(xué)們對進(jìn)程同步問題的掌握明顯提高，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)的信心也進(jìn)一步增強(qiáng)，有效的提高了課程教學(xué)質(zhì)量，也培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題以及解決問題的思維和能力。