启发式教学在进程同步中的应用

王春梅 滨州学院信息工程学院

引言

进程同步问题既是操作系统课程的重点也是其难点，进程同步是由进程之间的前趋关系造成的直接制约关系。在进程同步问题中，既包含进程的并发性、进程间前趋关系，还包含如何利用记录型信号量解决进程间的制约关系，多个概念交织在一起，往往令学生望而生畏，理解和掌握的程度较低，打击了学生的学习积极性。

启发式教学，是20世纪60年代中期创建的教学方法，根据课程教学目标、知识内容逻辑和学生知识水平，采用多种方式，以启发学生的思维为核心，通过调动学生的学习主动性和积极性，从而促进学生知识理解、能力培养和身心发展的一种教学方法。

1 进程同步的基本概念及解决机制

（1）进程同步

某些应用程序，为了完成某任务而建立了两个或多个进程。这些进程将为完成同一项任务而相互合作。进程间的直接制约关系就是源于它们之间的相互合作。有向无循环图（DAG，Directed Acyclic Graph）可以更好的描述进程之间的执行次序。图中的结点用来表示一个进程，结点间的有向边表示两个进程之间的前趋关系。一般表示为PiPj，表示Pj开始执行之前Pi必须完成。

（2）记录型信号量机制

进程同步机制的主要任务是对多个相关进程在执行次序上进行协调，使并发执行的诸进程之间能按照一定的规则共享系统资源，并能很好地相互合作，从而使程序的执行具有可再现性。

记录型信号量的定义及相应的wait(S)和signal(S)操作如下：

在该信号量中，S.value的初值表示系统中某类资源数量，list链表用来指向由于申请资源不成功而阻塞的进程。由以上wait(S)代码可知，wait操作是指进程申请一个资源，并且当申请资源不成功时，调用block原语主动阻塞，并插入到S.list中，并且list中阻塞的进程数为|S.value|。signal操作代表进程释放一个资源，若释放一个资源后S.value=＜0，则表示在list中仍有等待资源的进程，所以应该调用wakeup原语，唤醒S.list中的第一个进程，所以记录型号量机制遵循空闲让进、忙则等待、有限等待和让权等待四条准则，是比较完善的同步机制。

2 进程同步的启发式教学过程

2.1 现实中的教学实例

进程同步的例子广泛存在于现实生活中，例如将盖一栋教学楼分为①设计图纸，②打地基，③盖楼，④装修四个环节，那么它们之间就存在①②③④的前趋关系，还有就是大家比较熟悉的4*100米接力赛如果派出A、B、C、D四名同学分别跑第一棒、第二棒、第三棒和第四棒，那么这四名同学之间就存在ABCD的前趋关系。

2.2 启发式教学思路

关于进程同步问题，课程教学目标是掌握利用记录型信号量机制解决进程的同步问题。选取大家都非常熟悉的4*100米接力赛为例，提出思考问题；然后引导学生对该问题进行思考以及寻找解决问题的方案。之后启发学生将现实中的问题解决方案应用与进程同步问题；最后进行反馈和总结。

2.3 启发式教学过程

首先提出问题一：在4*100米接力赛中，班内派出四名同学A、B、C、D分别跑第一棒、第二棒、第三棒及第四棒，那么四名同学在跑步的过程中能不能停下来？

大多数同学都会想到，同学在跑步过程中不会主动停下来，但是如果摔倒的话，那么他们是必须要停下来的。

问题二：如果是A同学在跑步过程中摔倒停了下来，如果保证B不抢跑？

大多数同学都会想到，B同学没有拿到接力棒就跑，那么就会被判为成绩无效。以此类推，对于C、D同学也是需要拿到接力棒才可以起跑。

问题三：在4*100米接力赛中，接力棒起到了什么作用？

通过思考，大多数同学会想到，接力棒是为了保证四名同学按照4*100米接力赛规则完成比赛，防止出现抢跑等现象，也就是只有A跑完第一棒，B才可以起跑，以此类推。

以上利用一个用于表示资源数目的整型变量S以及wait(S)和signal(S)操作称为整型信号量机制，很明显，整型信号量机制比锁机制更有效。

问题四：4*100米接力赛和进程同步问题的对应关系是什么？

引导思考：四名同学要执行跑步这个任务，所以对应于操作系统中的进程；四名同学在跑步过程中摔倒停下来，对应于进程的并发性。只有A同学跑完第一棒，将接力棒传递给B，B才可以起跑，所以A、B同学之间关系对应于进程之间的前趋关系AB。以此类推，四名同学之间存在ABCD的前趋关系。

问题五：怎样利用记录型信号量来实现接力棒的作用，也就是既要保证进程的并发性（同学在跑步过程中摔倒停下来）还要保证进程之间的前趋关系（既是A停下来，B也不能跑，除非A跑完第一棒）。

引导思考：接力棒可以看做是同学起跑的信号或者条件，对于B同学来说，只有A跑完第一棒，B同学起跑的条件才成立。所以在A、B同学之间可以设置一个信号量SAB表示A跑完第一棒，B起跑的条件，所以SAB初值为0，只有A跑完第一棒，才能将该条件释放，对应的B在起跑前要申请该条件，如果成立才能起跑。

3 结束语

通过启发式教学，同学们对进程同步问题的掌握明显提高，学习操作系统的信心也进一步增强，有效的提高了课程教学质量，也培养了学生发现问题、思考问题以及解决问题的思维和能力。