“计算机操作系统原理”中加锁法的启发式教学研究
操作系统是当代计算机软件系统的核心，是计算机系统中的核心和基石，它管理和控制着计算机系统中的软、硬件资源高效工作，可以说操作系统是计算机系统的灵魂。操作系统课程主要学习操作系统的工作原理和工作方式，是计算机专业的核心课程， 也是进行系统软件开发的理论基础。
在计算机操作系统原理课程中，以操作系统的进程管理、处理机管理、内存管理、文件管理和设备管理作为主线进行组织。其中操作系统的进程管理，是现代操作系统的重要功能，也是之后处理机管理、内存管理等章节的基础，同时更是后续并行计算等重要课程的前提。并发系统中诸进程由于资源共享、进程合作，而产生进程之间的相互制约，操作系统为了提高系统资源的利用率，保证运行结果的可再现性，采用了信号量机制。因此，对于信号量机制的理解是学习进程管理中的关键。为了帮助学生对信号量机制的必要性和先进性的理解和掌握，在教学中采用对比分析的启发式教学，对加锁法进行了条分缕析，将加锁法和信号量法进行了深入对比，取得了良好效果。
下面给出关于加锁法的启发式教学中的关键问题的解决过程。
1 加锁法启发式教学
1.1 概念准备
加锁法的定义：对临界区加锁以实现互斥，在使用之前为了防止别的进程进入，设置关锁；若使用完后退出临界区时，设置开锁，这样其他用户就可以使用了。
加锁法引入的时机：给出时间相关的错误和临界区这两种概念，以及临界区使用的四个基本准则之后。
1.2 时间相关的错误
问题提出：在表1中存在P1和P2两个进程。P1和P2分别在t1和t2时刻获得CPU并测试锁，t3和t4时刻P1和P2设置锁。表1说明加锁法可能导致两个进程P1和P2同时进入临界区。该表格说明了，加锁方法没能保证临界区使用中忙则等待的这条准则。
启发式提问：为什么会造成这种情况？
启发式思考：测试和设置的过程不是原子过程，中间可以被其他进程打断。
启发式解决方案：测试与设置指令TS（test and set），其读写操作由一条指令完成，因而保证读操作与写操作不被打断。
1.3 不公平问题
问题提出：表2中进程P1在t0时刻进入临界区，t1时刻退出临界区，t2时刻再次进入临界区，而进程P2在t2时刻没有获得CPU，无法正确判断临界区的状态，从而不能进入临界区。表2说明加锁法可能导致进程P2一直无法获得临界区，处于饥饿状态。违反了临界区使用原则中的等则有限的原则。
启发性提问：引起不公平现象的原因是什么？
启发式思考：因为每个进程能否进入临界区依靠自己的测试判断，进程调用lock过程去测试相应的锁定位，没有获得执行机会的进程无法（正确地）判断，因此出现不公平现象。
启发式解决方案：由一个更高权限的进程来进行资源的测试和分配。
1.4 效率问题
问题提出：对于加锁方法，循环测试锁定位将损耗较多的CPU计算时间，如果一组并发进程的进程数较多，且由于每个进程在申请进入临界区时都得对锁定位进行测试，这种系统资源的开销很大。
启发式思考：如何将CPU从循环测试中解放出来。
启发式解决方案：参考火车调度中的信号机制。
1.5 表示能力问题
问题提出：加锁方法能表示几种状态？如何表示有多少个进程在等待该资源？在开锁之后如何调度这些等待进程？
启发式思考：如果表示多种状态？
启发式解决方案：参考图
书
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馆中预约图书的算法。
2 结语
在教学中，结合图表通过对加锁法中以上几个关键问题进行深入分析，对于每一个关键问题都首先给出了现象，结合临界区的使用准则提出在加锁法可能存在的问题，启发学生思考并给出解决方案。在这个过程中，学生们理解了由进程自身来完成加锁和解锁，是一种看上去直观简单，但是在实现中由于效率、表示能力以及并发环境下间断性和失去具有封闭性等原因，而不可行的方法。进一步，引导学生参考生活中常见的管理算法，
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
一种更合理、更有效的进程互斥和同步的管理机制。这为之后信号量机制的学习奠定了良好的基础。
浙公网安备 33021202002483