摘要：进程管理是操作系统课程的核心，而进程调度是进程管理理论的教学重点.如果不能将理论与真实操作系统相结合，学生很难掌握各种调度算法的应用背景和运行原理.笔者通过剖析Linux内核源码，采用探索启发式教学方法，引入进程调度应用于Linux操作系统的真实案例，使学生真切感知实际操作系统中进程调度的运行机理.并且通过修改内核源代码改进调度算法，使学生加强对调度算法理论的深入理解，从而提高学生对操作系统课程学习的积极性及分析解决问题的能力.
关键词：操作系统;进程调度;Linux内核;教学方法
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2019）01-0063-03
1 引言
操作系统是计算机科学与技术专业的专业核心课，该课程对其他专业课程起着承上启下的作用.课程主要内容涵盖进程管理、进程调度与死锁、存储器管理、设备管理、文件管理、操作系统接口等[1].由于操作系统课程理论性强，知识点庞杂从而导致学生对本门课程的学习热情明显不高.基于此，笔者尝试通过剖析Linux内核源码去阐述进程调度的运行机制[2]，采用探索启发式教学方法，让学生充分感知真实操作系统软件的设计思路，真正让理论落地于实际，从而提高学生对操作系统课程的学习热情.
在Linux内核版本的选择上，最新稳定版（4.15.15）由于代码量太过庞大（1400万行）[3]，学生很难梳理其架构与脉络，对代码剖析更是无从下手，由此产生了畏惧和排斥.0.11版发行于20世纪90年代，虽年代久远但具备了现代操作系统的基本功能，如多用户多任务、中断并发、同步互斥等，而代码量也只有一万四千行（不包含注释）.为了深入理解进程调度算法以及增强学生对内核源码解读的代入感，笔者最终选择0.11版Linux内核作为操作系统课程的教学资源.
针对课程设置，笔者结合多年的操作系统教学经验，将进程调度教学环节规划为四大部分：一、进程调度概述，让学生对进程调度概念有一个大致的了解;二、进程调度步骤宏观解读，通过引入Linux实例展示其进程调度的基本步骤;三、进程调度机制微观探索，通过分析schedule函数源代码，让同学了解真实操作系统中进程调度算法的核心内容;四、调度算法优化实践，通过改进源代码，提升操作系统内核多进程调度质量，使学生对进程调度算法的解读得到升华.
2 进程调度概述
进程调度的基本内容，包括进程调度的基本概念、进程调度的目标、进程调度算法以及各种算法的应用场景.进程调度的主要算法有：先来先服务算法、短作业优先算法、静/动态优先级算法、时间片轮转法等.评估算法的指标有CPU的运行效率、进程运行公平性、响应及时性、内存吞吐量等几方面因素.
上述提及的这些目标不可兼备，在讲授这些指标性能取舍问题时，笔者利用各种真实操作系统进行列举，如UNIX采用动态优先数调度、BSD采用多级反馈队列调度、Windows采用抢先式多任务调度等[4].通过举例，让学生对调度算法不同的应用场景有一个感性的认识.
3 进程调度步骤宏观解读
为了让同学了解0.11版Linux内核进程调度的运行机理，在宏观上笔者基于主要源文件对进程调度的步骤进行解读，如图1所示：
通过此结构图，学生可以了解到主程序文件（main.c）对进程调度进行了初始化操作，即执行shed_init（）函数.而调用的sched_init（）函数来自进程调度程序文件（sched.c），此时笔者要强调sched.c文件的重要作用，因为这是进程调度的核心.同时，作为进程调度的依据，进程控制块PCB源自头文件sched.h中的task_struct结构体.操作系统利用中断使用户态切换至内核态，因此要设置中断门（set_intr_gate），执行时钟中断处理指令（_timer_interrupt）.在中断处理指令中调用了do_timer函数，此函数执行时间片轮转.最后，利用sched.c文件中的进程调度函数schedule（），引出进程调度的核心算法.
经过以上步骤的解读，学生大致了解了0.11版Linux内核进程调度的基本流程，即操作系统通过时间片时钟中断语句，以进程调度算法为依据对下一个进程进行调度处理.
4 进程调度机制微观探索
进程调度的实现应具备三个基本机制，分别是进程队列，进程分派程序和上下文切换机制[5].笔者分别针对三大模块实现的核心代码，引导学生进行逐层剖析.
4.1 进程队列
首先将调度进程头文件sched.h作为切入点，此文件主要包含进程控制块task_struct结构体.而进程队列的实现是由结构体数组构成，通过刚才提及的进程调度核心文件sched.c中第65行代码可以进行例证，核心代码如下：
struct task_struct *task[NR_TASKS];
4.2 进程分派程序
进程分派的核心是选择进程，而选择的依据是task_struct结构体，涉及counter和priority两个元素，分别表示任务运行时间片和运行优先数.当定义好结构体后，程序又以宏定义的方式对结构体元素进行了初始化操作（#define INIT_TASK），其中counter和priority的初始值都设置为15.基于以上的描述，学生意识到0.11版Linux内核对每个新进程都以相同的时间片和优先数进行初始化配置.
其次，要深入解读sched.c文件的scedule（）函数，这是进程调度的核心.这部分代码根据进程的时间片和优先权调度机制，来选择随后要执行的任务.它首先循环检查进程控制块数组中的所有进程，根据每个就绪态任务剩余执行时间的值counter，选取该值最大的一个任务，并利用switch_to（）函数切换到该任务[6].核心代码如下：
每當选择出一个新的可运行进程时，schedule（）函数就会调用定义在include/asm/system.h中的switch_to（）宏执行实际进程切换操作.该宏利用汇编语句把CPU的当前进程状态（上下文）替换成新进程的状态.笔者通过图的方式对其过程进行了解读，学生对操作系统控制CPU进行进程切换有了直观的认识，如图2所示：
5 调度算法优化实践
现代分时操作系统中，目前公认的一种较好的进程调度算法是采取多级反馈队列调度算法，如图3所示.
基于此，笔者优化了0.11版Linux内核调度算法，即将授课过程中涉及的程序文件进行代码修改，并编译运行内核，达到进程调度的预期效果.在此教学过程中，学生们即感受到多级反馈调度的优势，也加强了解读内核源代码的能力.
6 小结
进程调度是操作系统课程的重点和难点，笔者尝试通过解读Linux内核源代码，并运用探索启发式教学方法，让学生生动理解操作系统进程调度的过程.在操作系统课程体系的其他环节，也可以尝试引入Linux内核源代码作为教学参考资料，真正做到理论联系实际，从而提高学生主动实践、积极探索、终身学习的能力.
参考文献：
〔1〕罗娇敏.操作系统进程同步和互斥教学方法研究[J].教育教学论坛，2017（44）：255-256.
〔2〕吴淑泉.高校“Linux操作系统”课程教学研究与探索[J].教育理论与实践，2017（33）：57-58.
〔3〕Latest Stable Kernel.[EB/OL].https：//www.kernel.org/pub.
〔4〕陈莉君，康华.Linux操作系统原理与应用（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2016.64-65.
〔5〕汤小丹，梁红兵.计算机操作系统（第3版）[M].陕西：西安电子科技大学出版社，2012.86-87.
〔6〕赵炯.Linux内核完全注释[M].北京：机械工业出版社，2017.92-97.
〔7〕赵炯.Linux内核完全剖析[M].北京：机械工业出版社，2017.130.
