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思政教育

【代码里的星火】以需求促发展 培养大局观念

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一、引言

操作系统是控制应用程序执行的程序,是应用程序和计算机硬件间的接口。通过对“操作系统的演化”内容的学习,可以发现操作系统的演化历程就是人们不断解决高级的需求与系统落后性能间的矛盾的过程。在这个过程中,研发人员始终以人民使用需求为目标,不断解决操作系统性能上的瓶颈。进程是操作系统中最基本的概念,在多道程序环境下能让程序并发执行,对进程的有效调度是操作系统正常运行重要保证。然而操作系统的高并发的特性要求在任何时刻进程调度算法都能对各类进程做出正常的响应,这要求设计者必须具有大局观。大局意识要求我们看待问题要从整体和全程出发。在学习几种进程调度算法的同时,逐渐培养全局观念。

二、理论知识的课程思政切入点

1.操作系统的演化——以需求促发展

20世纪40年代后期到50年代中期的计算机处于人工操作阶段,并没有装配操作系统,程序员需要通过输入设备将机器代码载入计算机。人工操作会引发CPU闲置和工作超时被强制停止的问题,发生某些错误时用户还不得不将任务全部重新开始。这种操作模式称为串行处理,用户必须顺序访问计算机。为了提高计算机资源利用率,第一个批处理操作系统(同时也是世界上第一个操作系统)于 20世纪50年代诞生。此时程序员只需将作业按顺序组织成批,并将整个批作业放到输入设备上,由监控程序完成调度功能。由于简单批处理系统仍然采用串行处理,I/O操作仍需消耗CPU大量等待时间,存在严重内存浪费。为解决这一问题,又引入了多道批处理系统,以减小I/O操作对内存的浪费,但此时的系统还不允许用户直接与计算机进行交互。直至分时系统的引入,基本解决了这个问题,分时系统通过采用时间片轮转的方式保证用户同作业交互的及时性,实现了人机交互,极大地提高了资源的利用率。在实时性和可靠性高的领域还用到了实时系统,能及时响应外部请求。近年来,操作系统朝向并行化、网络化、便捷性、融合性方向发展。

图1 早期的批处理系统

操作系统的演化史可以看作发现问题、分析问题、提出方法和解决问题的过程,在这个过程中,高效、实用始终作为其发展需求,是“需求”驱动了操作系统的发展。对我们来说,如果需要知识,那就翻开书本;需要胆量,那就敢于上台;需要健康的身体,那就积极锻炼……只有明确需求,努力才能抓住方向。我们经常说未来可期,在那之前我们应该明白自己需要什么,树立合适的目标,以梦为马,不负韶华。

2.“进程调度”算法的优化——培养大局观念

多道批处理系统可提高CPU的利用率,但诸多进程互相竞争使用CPU会导致系统紊乱的现象。先来先服务型的调度算法(FCFS)看起来是最简单且公平的,但会导致一些短作业进程等待长时间,而短作业优先调度算法(SPN)又可能让长作业“饿死”。如果把以上两者综合起来呢?就得到最高响应比优先调度算法(HRRN),这个算法是上述两种算法的折中。但若碰到需紧急处理的任务,就需要最高优先数优先的算法,赋予急需完成的进程较高优先级。另外,还有反馈算法,优先考虑短进程,同时能给长时间处于等待状态的长进程较高优先级。

图2 进程的三状态模型

可以发现,大局观始终贯穿进程调度算法的设计。首先,大局观蕴含着两点论与重点论的统一。为了使系统效率最优化,调度算法既要优先执行急迫的进程,也要照顾长时间得不到资源的进程。俗话说,“不谋全局者,不足谋一域”,将1%重要的事做到100%,对全局起到作用也不会超过1%。在学习与工作中,任务很多时候是 “蜂拥而至”的,有时出于迫不得已或为了保证完成的质量,我们必须抓住任务的主要方面,在解决主要方面后,再兼顾次要方面。其次,全局观还蕴含着普遍与特殊的结合。调度算法除了“循规蹈矩”地赋予进程优先级进行调度外,还要考虑紧急情况下的进程调度,既要考虑对一般情况的处理,又要对特殊情况给予适当照顾。为了最大化系统效率,某个进程可能会放弃某个时刻的资源占用,将资源让给那些更需要被执行的进程。在集体中,大局观有助于让我们远离个人至上主义、小团体至上主义,正确处理个人利益与集体利益的关系。大局意识作为中共十八届六中全会提出的全党要进一步强化的“四个意识”之一,要求全党自觉从大局看问题,正确处理中央与地方、局部与全局、当前与长远的关系,自觉从党和国家大局出发办事。再次,大局观意味着不片面、不极端。并发度可以提高操作系统效率,但并发度过高会降低进程推进速度,增加系统开销。这说明了任何事物包含对立统一的两方面,也包含折中与平衡的哲学思想。我们在追求完美的同时也应该明白天下没有完美的事物,解决问题时,能把握一定的尺度,不绝对、不极端,形成完善的人格。概括地讲,大局观要求我们看待问题从整体和全过程出发,整体包括两点论与重点论的统一、普遍与特殊的结合、集体利益为重、不极端不片面,全过程即既要以史为鉴,又要展望未来,兼顾当下与长远,只有这样我们看待问题才会更深刻、更长远,才能在重要时刻做出正确决策。

三、结语

2021年,是“两个一百年”奋斗目标交汇之年,也是“十四五”规划开局之年,中国正踏上新的发展征程。而国际上,中国仍受到包括美国在内国家的无端制裁、诽谤、干预。少年强则国强,我们应把迎难而上、坚忍不拔、奋发有为和踏实做人的品质作为个人的发展需求,永怀爱国、爱党之心,时刻以国家和人民的利益为大局。只有这样,不论将来从事什么职业,身处哪片土地,我们总能为中华民族伟大复兴贡献出属于自己的力量,实现人生价值。


2019级计算机科学与技术一班 刘赞华


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