操作系統課程核心實驗演示平臺設計與實現

高永強，李振坤

（內蒙古大學計算機學院，內蒙古自治區呼和浩特 010010）

0 引言

操作系統是計算機類專業的核心課程，在課程體系中占有重要地位。由于課程內容涉及計算機軟件、硬件等方面知識，理論性強、內容抽象，僅采用課堂講授理論知識的方式，難以使學生深入理解課程內容，容易造成教學效果不佳，學生學習效果不理想的狀況［1］。

為此，國內外學者在教學過程中加入實踐環節，使學生能夠更加直觀地了解所學知識的應用場景，以提升學生的實踐動手能力，進而促使學生深入掌握操作系統的課程內容［2-4］。

然而，現階段實踐教學課程設計仍然較為陳舊、缺乏創新，無法達到教學相長的教學效果。因此，本文設計一款核心實驗演示平臺，支持可視化展示多種調度算法的詳細運行過程，并能演示銀行家算法及判斷系統安全狀態。

1 教學現狀及相關研究

1.1 課程特點

操作系統是計算機類專業本科階段的核心課程，主要內容包括操作系統的基本原理和實現技術，課程特點具體如下：

（1）內容多、難度大。課程涉及的基礎概念多，內容涉及面廣［5］，涵蓋進程與線程管理、處理機調度、同步互斥、操作系統的接口、內存管理、I/O 管理、文件系統等方面。學生需要學習多門先導課程，課程難度大。

（2）內容抽象。課程知識涉及的理論、概念較多，例如微內核、同步互斥等，學生通常難以深入理解所學知識，導致學習效果較差。

（3）實踐性強。課程中的知識點通常與實踐相互關聯，但現階段所學的課程內容在一定程度上與實際需求相互脫離，導致學生無法利用所學知識解決實際問題，實踐動手能力較差。

1.2 教學現狀

傳統教學方法缺乏除課堂教學及驗證性實驗外的教學嘗試，教師僅通過幻燈片進行知識講解，缺乏相關知識點尤其是核心算法的動態演示，學生只能在紙上進行手動演算，效果較差。

為此，國內許多學者對操作系統課程的教學研究工作進行探索。例如，朱小軍等［6］和譚舜泉等［7］提出將開源教學操作系統xv6 引入課程實踐教學。李濤等［8］提出利用時序圖比較順序拷貝文件與并發拷貝文件的區別。張銳敏等［9］以培養學生能力為目標，對課程進行混合式教學改革。文艷軍等［10］提出一種基于內核調試和抽象精化思想的實驗。雖然，上述研究均在實踐教學中引入新的方法及輔助軟件，但在降低學生學習課程核心算法的難度方面，效果仍然較差。

針對上述問題，本文設計一款操作系統核心實驗演示平臺，創新性地將操作系統的核心算法進行可視化展示，使學生能夠直觀了解所學算法的整個運行過程，在一定程度上降低了學生的學習難度，使學生更容易掌握算法的內在思想。

2 平臺設計與實現

2.1 功能設計

平臺在Windows 環境下，采用Java JDK、Swing、Eclipse進行開發，主要包含進程參數設置、調度算法參數設置、調度算法演示及銀行家算法4 個部分。其中，進程參數設置模塊功能為添加或刪除進程，設置進程的到達時間等參數；調度算法參數設置模塊功能為設置作業調度與進程調度分別使用的算法，設置內存最大作業數、時間片大小等參數；調度算法演示模塊為整個軟件的核心模塊，該模塊功能包括控制運行過程、運行信息展示及進程信息展示［11-12］；銀行家算法模塊的功能包括數據輸入、安全性檢測、資源請求及執行結果展示。具體功能結構圖如圖1所示。

Fig.1 Platform function structure圖1 平臺功能結構

2.2 進程參數設置模塊

通過該模塊對序號、到達時間、服務時間及優先級進行初始化設置。其中，進程序號由平臺自動生成，其它參數則需要用戶手動輸入。此外，用戶可手動刪除多余進程。具體參數設置如圖2所示。

Fig.2 Process parameter setting圖2 進程參數設置

2.3 調度算法設置模塊

通過該模塊初始化調度算法的設置。調度算法主要分為作業調度與進程調度。

2.3.1 作業調度算法

作業調度又稱為高級調度，相較于進程調度的頻率更低，主要將位于外存后備隊列中的某些作業調入內存。

平臺現階段共支持5 種作業調度算法，分別為先來先服務（FCFS）、短作業優先（SJF）、靜態優先級（HPF）、動態優先級算法（DPF）及高響應比優先算法（HRN）。其中，FCFS 按照作業到達的先后次序進入內存隊列，由于該算法僅考慮作業到達的次序，忽視作業要求服務時間的長短，會導致系統平均周轉時間較長；SJF 按照要求服務時間更短的作業優先進入內存的原則進行內存分配，優點為短作業能夠更早完成，但會導致服務時間較長的進程長時間得不到調度，從而產生“饑餓”現象；HPF 算法在初始狀態為每個作業預先設置優先級，且優先級將不會發生變化，平臺將優先調度優先級更高的作業；DPF 算法同樣在初始狀態為每個作業預先設置優先級，但優先級會隨著進入就緒序列的時間增加而上升，從而有效避免HPF 中優先級較低的作業發生“饑餓”現象，兼顧了作業的等待時間與運行時間，既能保證短作業優先運行，又能控制長作業的等待時間，有效提高系統調度性能。此外，用戶需要手動設置內存最大作業數，以確定內存中的最大進程隊列數量。

2.3.2 進程調度算法

進程調度又稱為低級調度，調度頻率較高，主要用于選取位于內存就緒隊列中的某些進程，并為其分配處理機。

平臺現階段支持6 種進程調度算法，分別為先來先服務（FCFS）、短進程優先（SPF）、靜態優先級（HPF）、動態優先級算法（DPF）、高響應比優先算法（HRN）及時間片輪轉調度算法（RR）。其中，前3 種算法與作業調度算法相似；DPF 算法在初始狀態為每個進程預先設置優先級，若進程處于就緒隊列中，優先級會隨等待時間增加而提升，該算法兼顧進程的優先級與等待時間，既避免靜態優先級中優先級較低的作業發生“饑餓”現象，又能防止進程長時間占用處理機；HRN 算法則兼顧進程長短及等待時間，避免進程長時間得不到調度的情況；RR 調度算法屬于搶占式調度算法，該算法通過設置時間片，既考慮進程的先后順序，又避免進程長時間占用處理機。在平臺中，用戶可手動設置時間片大小。

上述5 種算法中，FCFS 和RR 無需用戶設置是否為搶占模式，SPF、DPF 及HRN 可設置為搶占模式。此外，若僅演示進程調度的過程，用戶只需將內存最大作業數設置為大于所有進程數量［13-14］。調度算法設置如圖3所示。

Fig.3 Scheduling algorithm settings圖3 調度算法設置

2.4 調度算法演示模塊

該模塊展示調度算法的運行過程，界面中所有數據都會實時更新，以秒為計時單位，調度算法演示如圖4 所示。其中，界面主要分為以下6個模塊：

（1）界面左上部分為初始進程隊列展示，用戶可通過表格查看所有進程的初始參數。

（2）界面中部上側為用戶設置的調度算法及預設參數。

（3）界面右上部分為運行控制單元，用戶通過選擇不同的運行模式控制該單元調度算法的運行。運行模式包括單步運行和連續運行，單步運行的單位為秒。此外，在連續運行過程中用戶可隨時暫停與重置系統。

（4）界面左下部分為外存及內存隊列，分別展示當前時刻外存和內存中的進程。

（5）界面中部下側為進程狀態展示，具體包括每個進程的運行進度、等待時間、剩余時間、周轉時間及響應比等數據［15］。

（6）界面右下部分顯示當前運行時刻及運行狀態的具體信息描述。

2.5 銀行家算法演示模塊

模塊主要參數設置、數據輸入及操作執行3 部分構成。其中，參數設置部分用戶自主設置資源種類、每種資源的數量及進程數量；數據輸入部分用戶進行Max、Allocation、Need 矩陣數據初始化；操作執行部分則進行系統的安全性檢測或通過輸入相關數據進行資源請求［16］。界面右側的文本框中會反饋執行結果的具體信息描述。平臺演示銀行家算法如圖5所示。

Fig.5 Banker algorithm圖5 平臺演示銀行家算法

3 平臺評估

為了評估核心實驗演示平臺的有效性，將平臺應用于內蒙古大學計算機學院的本科操作系統課程。

通過比較學生在兩個學年中的考試和實驗表現以評估平臺的有效性［17］。其中，第一學年使用傳統教學方法進行教學；在第二學年使用平臺在課堂上演示進程調度及銀行家算法，并讓學生自行使用平臺學習相關課程知識。實驗數據來源于內蒙古大學計算機學院兩個班級共106 名學生［18-19］，考試成績見圖6（彩圖掃OSID 可見，下同）。

Fig.6 Distribution of examination scores圖6 考試成績分布

由圖6 可見，使用核心實驗演示平臺后得分在60 分以下及60-70 分區間的人數有所降低，而70-80 分和80-90分區間的人數明顯上升，90-100 分區間的人數未發生變化。學生平均得分由71.3 分提高到了80.2 分，證實平臺教學能夠在一定程度上提升學生對核心算法的掌握能力。70 分及以下的學生數量顯著降低，證明平臺教學對低分段學生的提升更大。接下來，比較兩個班學生在兩個學年中的實驗完成情況，如圖7所示。

Fig.7 Experiment completion圖7 實驗完成情況

由圖7 可見，“未完成任務”“基本完成任務”“完成任務”這3 種完成情況的人數都有所降低，而“完成額外任務”的人數顯著增加［20］，學生的實驗完成情況具有顯著改善，證明現階段學生對算法的理解提升較大。此外，為了進一步完善平臺的功能，向第二學年的學生收集了對平臺的改進意見，如圖8所示。

Fig.8 Improvement suggestions圖8 改進意見

由圖8 可見，被提及最多的是希望平臺能夠實現更多種類的算法，存在17%的學生提出應該美化平臺界面，25%的學生認為增加算法的回溯功能十分必要。

4 結論

本文展示核心實驗演示平臺的詳細信息，該平臺以可視化和交互式方式展示作業調度、進程調度和銀行家算法的實驗過程，使學生能夠直觀、深入了解所學算法的相關概念。

實驗結果證明，平臺能夠有效提高操作系統課程的教學效果，適合作業調度、進程調度及銀行家算法的輔助教學。比較兩學年中學生的考試分數及核心實驗的完成情況，結果顯示學生在考試中算法部分的平均得分由71.3 分提高到80.2 分，得分為0-70 分的學生人數降低50%，完成實驗及額外實驗的學生人數顯著提升。

此外，為進一步完善平臺功能，計劃根據學生反饋美化平臺頁面、增加算法回溯功能、開發移動端版本、涵蓋同步互斥、頁面置換等內容。