“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”中操作系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)的教學(xué)策略思考

1、集中式和分布式操作系統(tǒng)中的同步互斥比較教學(xué)摘要:本文對(duì)集中式操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)中的同步互斥機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比分析并對(duì)這兩種系統(tǒng)中的互斥策略通過(guò)比較教學(xué)法進(jìn)行了進(jìn)一步研究。關(guān)鍵詞:操作系統(tǒng)集中式系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)同步互斥G6421引言分布計(jì)算系統(tǒng)中的各種資源是在地理上和物理上分布的這種分布會(huì)造成信號(hào)傳播過(guò)程中的延遲以及部分失效因此與單機(jī)操作系統(tǒng)相比分布計(jì)算系統(tǒng)的資源管理和資源調(diào)度更加復(fù)雜。在研究生的“分布式操作系統(tǒng)”和本科生的“操作系統(tǒng)

2、”教學(xué)過(guò)程中通過(guò)分布式系統(tǒng)和集中式系統(tǒng)中對(duì)資源的同步互斥機(jī)制進(jìn)行比較教學(xué)使得學(xué)生對(duì)互斥算法的了解更為透徹分別取得了較好的教學(xué)效果。2系統(tǒng)中的同步無(wú)論集中式系統(tǒng)還是分布式系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程有效共享系統(tǒng)中的各類資源都需要用同步機(jī)構(gòu)進(jìn)行互斥控制系統(tǒng)進(jìn)行資源的調(diào)度和管理。在單機(jī)集中式系統(tǒng)中通常使用信號(hào)燈以及PV操作進(jìn)行同步控制并實(shí)現(xiàn)互斥算法而在分布式系統(tǒng)中使用報(bào)文進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)互斥控制。由于集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)所采用的同步機(jī)構(gòu)不同因此要求也

3、不同。集中式系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)同步均可以用硬件方法也可以用軟件方法通過(guò)比較教學(xué)使學(xué)生加深理解。2.1集中式系統(tǒng)中的同步集中式系統(tǒng)中同步的硬件實(shí)現(xiàn)方法是借助于TS(TestSet)、CompareSwap以及FetchAdd等硬件機(jī)器指令具體做法是通過(guò)為每個(gè)可共享的資源設(shè)置一個(gè)鎖通過(guò)進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)的關(guān)鎖和退出臨界區(qū)時(shí)的開鎖以達(dá)到對(duì)共享的臨界資源的互斥同步控制。該方法雖然可以實(shí)現(xiàn)互斥且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但是不符合“讓權(quán)等待”的同步機(jī)制準(zhǔn)則。集中式系

4、統(tǒng)中同步的軟件實(shí)現(xiàn)方法通常是采用信號(hào)量機(jī)制。最簡(jiǎn)單的是整型信號(hào)量機(jī)制通過(guò)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的P、V操作實(shí)現(xiàn)資源的互斥使用。為了使得多個(gè)同類資源能夠被有效的互斥使用在信號(hào)量機(jī)制的概念中引入記錄型信號(hào)量加以實(shí)現(xiàn)。采用型信號(hào)量可以較為有效的避免多個(gè)進(jìn)程同時(shí)要求多種共享資源時(shí)發(fā)生死鎖的問(wèn)題。為了讓進(jìn)程能夠一次使用多個(gè)同類資源而且不用進(jìn)行多次等待操作(P操作)又使用信號(hào)量集機(jī)制進(jìn)行控制。實(shí)際上互斥是一種特殊的同步軟件方法中還經(jīng)常使用Dekker算法和Pet

5、erson等算法簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的互斥。此外還有管程等同步控制機(jī)制。2.2分布式系統(tǒng)中的同步在分布式系統(tǒng)中由于沒(méi)有共享的主存因此主要使用報(bào)文進(jìn)行通信以實(shí)現(xiàn)同步?？偟膩?lái)說(shuō)分布式系統(tǒng)中的同步系統(tǒng)其本質(zhì)就是使得各種使用共享資源的操作或活動(dòng)形成一個(gè)有序序列或者說(shuō)同步機(jī)構(gòu)的目的就是給使用資源的多個(gè)進(jìn)程提供某種方法和手段使分布式系統(tǒng)保持一個(gè)一致的狀態(tài)如多副本文件系統(tǒng)的一致性等。分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)硬件同步的方法一般是采用物理時(shí)鐘、事件計(jì)數(shù)器、順序器等。

6、物理時(shí)鐘方法中時(shí)鐘服務(wù)器從WWV或GEOS處獲得UTC根據(jù)系統(tǒng)和用戶的需要以集中式物理時(shí)鐘的方式或分布式物理時(shí)鐘的方式實(shí)現(xiàn)同步控制。在教學(xué)的過(guò)程中要給學(xué)生著重說(shuō)明這里的集中式物理時(shí)鐘方式中的集中式與單機(jī)系統(tǒng)中的集中式的不同。這里所謂的集中式物理方式是指在分布式系統(tǒng)中由資源:①Pi的申請(qǐng)隊(duì)列中有Tm:Pi申請(qǐng)報(bào)文并且根據(jù)時(shí)間戳它排在所有其它進(jìn)程發(fā)來(lái)的申請(qǐng)報(bào)文前面②Pi收到所有其它進(jìn)程的承認(rèn)報(bào)文其上面的時(shí)間戳值大于Tm。教學(xué)過(guò)程中請(qǐng)同學(xué)思考

7、:在上述算法中某進(jìn)程進(jìn)入一次臨界區(qū)需要交換多少個(gè)報(bào)文了解了上述互斥算法的過(guò)程學(xué)生很容易得出結(jié)論:任何進(jìn)程進(jìn)入一次臨界區(qū)需要3(n1)個(gè)報(bào)文。進(jìn)而可以啟發(fā)學(xué)生根據(jù)規(guī)則對(duì)上述算法進(jìn)行改進(jìn)從而使得任何一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入一次臨界區(qū)最多需要3(n1)個(gè)報(bào)文如果互斥使用臨界資源的進(jìn)程數(shù)目很多時(shí)可以大大地降低交換報(bào)文的通信開銷?；诹钆频姆植际交コ馑惴ㄖ袑?duì)于各進(jìn)程更具公平性的是基于時(shí)間戳的令牌互斥算法。令牌是一個(gè)特殊的報(bào)文該報(bào)文中包含了發(fā)送該令牌的進(jìn)程的進(jìn)

8、程狀態(tài)表。每個(gè)進(jìn)程保持一張進(jìn)程狀態(tài)表記錄它所知的進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程狀態(tài)包括該進(jìn)程是否為請(qǐng)求進(jìn)程以及得到該狀態(tài)的時(shí)間。算法如下:(1)初始化時(shí)每個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)表中各個(gè)進(jìn)程均為非請(qǐng)求狀態(tài)時(shí)鐘值為0并任意指定一個(gè)進(jìn)程為令牌的持有者。(2)請(qǐng)求時(shí)一個(gè)進(jìn)程請(qǐng)求進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)如果它持有令牌它不發(fā)送任何請(qǐng)求報(bào)文將自己的進(jìn)程狀態(tài)表中相應(yīng)于自己一欄的狀態(tài)改為請(qǐng)求態(tài)并記錄該狀態(tài)的時(shí)鐘值直接進(jìn)入臨界區(qū)。如果它不持有令牌則它向所有其它進(jìn)程發(fā)送帶有時(shí)間戳的請(qǐng)求報(bào)文。發(fā)出請(qǐng)

9、求報(bào)文后將自己的進(jìn)程狀態(tài)表中相應(yīng)于自己一欄的狀態(tài)改為請(qǐng)求態(tài)并記錄該狀態(tài)的時(shí)鐘值。(3)收到請(qǐng)求時(shí)當(dāng)進(jìn)程A收到進(jìn)程B的請(qǐng)求報(bào)文時(shí)A將B的請(qǐng)求報(bào)文中的時(shí)間戳同A的進(jìn)程狀態(tài)表中B的時(shí)間值進(jìn)行比較。若B的請(qǐng)求報(bào)文中的時(shí)間戳大于A的進(jìn)程狀態(tài)表中B的時(shí)間值則A修改自己的進(jìn)程狀態(tài)表。將A的進(jìn)程狀態(tài)表中對(duì)應(yīng)于B的一欄改為請(qǐng)求狀態(tài)并記錄此狀態(tài)的時(shí)間。(4)退出臨界區(qū)時(shí)進(jìn)程A退出臨界區(qū)后將自己的進(jìn)程狀態(tài)表中關(guān)于自己的一欄改為非請(qǐng)求狀態(tài)時(shí)鐘值加1并將該時(shí)鐘值

10、作為該狀態(tài)的時(shí)間。然后檢查其進(jìn)程狀態(tài)表中是否記錄有某個(gè)進(jìn)程處于請(qǐng)求狀態(tài)若有則從處于請(qǐng)求狀態(tài)的進(jìn)程中選取一個(gè)請(qǐng)求最早的進(jìn)程B(具有最小的時(shí)間戳)將令牌傳送給它并在令牌中附上A的進(jìn)程狀態(tài)表。(5)收到令牌時(shí)收到令牌的進(jìn)程把隨令牌傳來(lái)的進(jìn)程狀態(tài)表和自己的進(jìn)程狀態(tài)表進(jìn)行比較。若隨令牌傳來(lái)的進(jìn)程狀態(tài)表中某進(jìn)程的時(shí)間戳大于自己的進(jìn)程狀態(tài)表中相應(yīng)進(jìn)程的時(shí)間戳則將自己的進(jìn)程狀態(tài)表中相應(yīng)進(jìn)程的狀態(tài)和時(shí)間戳改成隨令牌傳來(lái)的進(jìn)程狀態(tài)表中相應(yīng)的狀態(tài)和時(shí)間戳。在

11、該算法中當(dāng)進(jìn)程不持有令牌時(shí)算法需要交換n個(gè)報(bào)文其中的n1個(gè)為請(qǐng)求報(bào)文一個(gè)用于傳送令牌。而當(dāng)請(qǐng)求進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程持有令牌時(shí)互斥算法顯然不需要交換報(bào)文。3結(jié)束語(yǔ)通過(guò)研究生“分布式操作系統(tǒng)”和本科生“操作系統(tǒng)”的教學(xué)實(shí)踐表明在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)這樣的比較教學(xué)容易引起學(xué)生的興趣從而能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和對(duì)問(wèn)題的較為深入的思考收到了較好的教學(xué)效果。本文出自：大學(xué)生論文網(wǎng)參考文獻(xiàn):[1]徐高潮胡亮鞠九濱.分布計(jì)算系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社200