计算机操作系统启发式教学研究

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1、计算机操作系统启发式教学研究计算机操作系统启发式教学研究　　操作系统是计算机相关专业的一门核心专业课，而实时调度算法是操作系统课程中的一个重要内容，在多数的操作系统教科书中主要介绍了两种实时调度算法，即最早截止时间优先算法（EarliestDeadlineFirst，EDF）和最低松弛度优先算法（LeastLaxityFirst，LLF）。这两个算法看上去并不难理解，然而问题往往并不像看起来那样简单。事实上，在操作系统的教学中有一个很大的困难，即操作系统的教学不易落到实处，即原理容易讲，但要让学生体验这些原理却并不容易。操作系统课程中涉及大量算法，如进程

2、调度算法、死锁避免算法、页面置换算法等。表面上这些算法看起来比较容易，但要让学生理解算法后面蕴含的深刻道理，并从这些算法中发现一些问题就绝非易事了。　　对于这个困难，我们希望通过一些启发式的教学设计，引导学生从程序员、从算法设计者的角度去分析和思考算法中的一些问题，从而将抽象的原理转化为具体的问题和解决方案，加深对这些原理的理解。下面结合实时调度算法的例子来阐述对于启发式教学设计的思考。　　1实时调度算法的启发式教学设计　　1.1调度算法问题定义　　很多操作系统教科书中都介绍了两个重要的实时调度算法，一个是EDF，另一个是LLF。这两个实时调度算法的调度

3、准则都很简单，课堂讲授时本文由.L.收集整理学生并不难理解。然而，这两个不同的调度算法在应用中的效果如何，教科书中并没有给出进一步的分析和讨论。事实上，这是一个很好的启发式教学的切入点，我们就从这里出发来设计问题。首先来看一看EDF算法和LLF算法的思想。　　EDF算法是根据任务的开始截止时间来确定任务的优先级。截止时间愈早，其优先级愈高。该算法要求在系统中保持一个实时任务就绪队列，该队列按各任务截止时间的早晚排序；当然，具有最早截止时间的任务排在队列的最前面。调度程序在选择任务时，总是选择就绪队列中的第一个任务，为之分配处理机，使之投入运行。截止时间可

4、以是开始截止时间，也可以是完成截止时间。一般来说，完成截止时间等于开始截止时间加上任务处理时间。　　LLF算法是根据任务紧急（或松弛）的程度，来确定任务的优先级。任务的紧急程度越高，越优先执行。例如，一个任务在200ms时必须完成，而它本身所需的运行时间就有100ms，因此，该任务的紧急程度（松弛程度）为100ms。又如，另一任务在400ms时必须完成，它本身需要运行150ms，则其松弛程度为250ms。调度程序总是选择就绪队列中松弛度最小的任务执行。LLF算法主要采用抢占调度方式。　　1.2发现问题　　按照教科书的描述和给出的示例，在LLF算法中，当有

5、新任务到达时，并不马上比较当前所有任务的松弛度（包括正在执行的任务），而是等到某个在等待的任务的松弛度降为零才进行切换，即选择这个松弛度已经降为零的任务运行。按照这个原则，我们在启发式教学设计中提出的第一个问题。　　第一个问题：按照教科书给出的LLF算法调度原则，是否会存在不可调度的情况？　　经过分析，很容易找出问题，如图1中给出的示例。　　通过上面的示例可知，在某些情况下，当某个任务在执行过程中，若某个（或某些）正在等待的任务的松弛度减至0s，则可能会导致任务无法成功调度，而实际上系统能力是允许成功调度的。　　1.3提出改进　　针对前面提出的问题，可以

6、引导学生对LLF算法的调度准则进行改进。通常比较容易想到的改进是，修正松弛度的计算和任务切换时机，即松弛度不需要随时计算，而在如下两种情况时进行计算：　　1）当前任务正在执行时新任务到达，可能会引起抢占和任务切换，此时需要计算并比较松弛度；　　2）当前任务完成时可能会引起新的任务调度和切换，此时计算松弛度。　　进程在执行时松弛度会不断变化，但是不用进行跟踪计算和比较。　　修正后，可以对学生提出第二个问题。　　第二个问题：修正后的LLF算法，是否存在着不可调度的情况？　　回答依然是存在问题，可以看一看图2中给出的另一个示例。　　1.4证明猜想　　若发现改进

7、后的LLF算法还是存在问题，这时可以引导学生再作改进，并进行讨论。事实上，无论如何改进LLF的调度和切换时机，都无法解决问题。那么我们可以引导学生逐步转到EDF算法上来，即EDF算法也会存在类似问题吗？因此我们提出的第三个问题如下。　　第三个问题：按照完成截至时间调度的EDF算法，是否存在不可调度的情况？　　通过启发学生寻找反例会发现无法找到反例，这时学生也许会想到，EDF是一个最优的算法，即可以得出以下的猜想。　　猜想：给定一系列的任务，只要这些任务是可调度的，即存在某种序列使得所有任务都在完成截至时间之前完成，则使用EDF算法一定能成功调度这些任务。

8、　　有了猜想，如何证明呢？这显然要比设计反例困难得多。我们可以引导学生深入研究这