操作系统：实验一：进程调度实验——最高优先数优先的调度算法

【实验题目】

实验一、进程调度实验

【实验目的】

    用高级语言编写和调试一个进程调度程序，以加深对进程的概念及进程调度算法的理解．

【实验设备与软件】

实验运行环境: C语言编程环境
    上机前的准备工作包括：
    1.按实验指导书要求事先编好程序；
    2.准备好需要输入的中间数据；
    3.估计可能出现的问题；
    4.预计可能得到的运行结果。

【实验原理】

一、基本概念

1、进程的概念；
2、进程的状态和进程控制块；
3、进程调度算法；

二、进程调度

1、进程的状态

2、进程的结构——PCB
    进程都是由一系列操作(动作)所组成，通过这些操作来完成其任务。因此，不同的进程，其内部操作也不相同。在操作系统中，描述一个进程除了需要程序和私有数据之外，最主要的是需要一个与动态过程相联系的数据结构，该数据结构用来描述进程的外部特性(名字、状态等)以及与其它进程的联系(通信关系)等信息，该数据结构称为进程控制块(PCB，Process Control Block)。
    进程控制块PCB与进程一一对应，PCB中记录了系统所需的全部信息、用于描述进程情况所需的全部信息和控制进程运行所需的全部信息。因此，系统可以通过进程的PCB来对进程进行管理。

【实验内容、方法、过程与分析】

1、 实验内容

设计一个有 N个进程共行的进程调度程序。
　　进程调度算法：采用最高优先数优先的调度算法（即把处理机分配给优先数最高的进程）和先来先服务算法。每个进程有一个进程控制块（ PCB）表示。进程控制块可以包含如下信息：进程名、优先数、到达时间、需要运行时间、已用CPU时间、进程状态等等。 进程的优先数及需要的运行时间可以事先人为地指定（也可以由随机数产生）。进程的到达时间为进程输入的时间。进程的运行时间以时间片为单位进行计算。每个进程的状态可以是就绪 W（Wait）、运行R（Run）、或完成F（Finish）三种状态之一。就绪进程获得 CPU后都只能运行一个时间片。用已占用CPU时间加1来表示。如果运行一个时间片后，进程的已占用 CPU时间已达到所需要的运行时间，则撤消该进程，如果运行一个时间片后进程的已占用CPU时间还未达所需要的运行时间，也就是进程还需要继续运行，此时应将进程的优先数减1（即降低一级），然后把它插入就绪队列等待CPU。每进行一次调度程序都打印一次运行进程、就绪队列、以及各个进程的 PCB，以便进行检查。 　　
重复以上过程，直到所要进程都完成为止。
调度算法的流程图如下 :

2、实验方法及过程

实验代码
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
#define getpch(type) (type *)malloc(sizeof(type))
int t=0;
struct pcb{
      /* 定义进程控制块PCB */
    char name[10];  //进程名
    char state;     //W/R/F
    int super;      //优先数
    int ntime;      //总运行时间
    int rtime;      //已耗时
    struct pcb *link;
} *ready = NULL, *p;
typedef struct pcb PCB;

void sort(){
      /* 建立对进程进行优先级排列函数*/
    p->link=NULL;
    if(ready==NULL)
        ready=p;
    else{
     
        if(p->super>ready->super){
     
            p->link=ready;
            ready=p;
        }
        else{
     
            PCB *f=ready;
            while(1){
     
                if(f->link==NULL){
     
                    f->link=p;
                    return;
                }
                else if(p->super > f->link->super){
     
                    PCB *s=f->link;
                    f->link=p;
                    p->link=s;
                    return;
                }
                f=f->link;
            }
        }
    }
}

void input(){
      /* 建立进程控制块函数*/
    srand((unsigned)time(NULL));
    int n;
    string c;
    cout<<"输入1随机优先级+运行时间（1-5），输入其他字符则自定义参数：";
    cin>>c;
    cout<<"请输入进程数目：";
    cin>>n;
    for(int i=0;i<n;i++){
     
        p=getpch(PCB);
        if(c=="1"){
     
            cout<<"请输入进程名"<<i+1<<"：";
            cin>>p->name;
            p->ntime=rand()%4+1;
            p->super=rand()%9+1;
        }
        else{
     
            cout<<"请分别输入进程名、进程优先数、运行时间：";
            cin>>p->name>>p->super>>p->ntime;
        } 
        p->state='W';
        p->rtime=0;
        sort();
    }
}

void disp(PCB *pr){
      /*建立进程显示函数,用于显示当前进程*/
    cout<<"进程名："<<pr->name<<"  ";
    cout<<"进程状态："<<pr->state<<"  ";
    cout<<"进程优先数："<<pr->super<<"  ";
    cout<<"进程总运行时间："<<pr->ntime<<"  ";
    cout<<"进程已经耗时："<<pr->rtime<<endl;
}

void check(){
      /* 建立进程查看函数 */
    cout<<"-------------------"<<" 正在运行中的进程 "<<"------------------------------"<<endl;
    disp(p);
    cout<<"-------------------"<<" 就绪队列中的进程 "<<"------------------------------"<<endl;
    PCB *pr=ready;
    while(pr!=NULL){
     
        disp(pr);
        pr=pr->link;
    }
}

void destroy(){
      /*建立进程撤消函数(进程运行结束,撤消进程)*/
    cout<<"进程"<<p->name<<"运行完成，耗时"<<p->ntime<<"个CPU时间片"<<endl;
    free(p);
    p=NULL;
}

void running(){
      /* 建立进程就绪函数(进程运行时间到,置就绪状态*/
    p=ready;
    ready=ready->link;
    t++;
    cout<<endl<<"这是第"<<t<<"个CPU时间片"<<endl;
    p->state='R';
    check();
    p->rtime++;
    if(p->ntime==p->rtime)
        destroy();
    else{
     
        p->super-=1;
        p->state='W';
        sort();
    }
    if(p==NULL && ready==NULL)
        cout<<"全部完成，共耗时"<<t<<"个CPU时间片"<<endl;
}

int main(){
      /*主函数*/
    input();
    while(p!=NULL || ready!=NULL)
        running();
    return 0;
}

实验代码解释：
    利用给出源码框架(各函数名称和进程结构体)进行补全。通过观察可以知道，首先需要读入进程数据，并将进程数据串成一个链表，也就是就绪队列(假设初始读入进程都为就绪状态)。读入和排序方法很多，此处我使用到了插入排序，在input()函数里面定义好读入格式以及交互提示，进程运行总时间直接给随机数(1-5),而进程优先数可以自定义或者随机(1-10)，如下：

    随机数种子给的当前时间戳避免每次运行的随机数都一样srand((unsigned)time(NULL))
    每次读入都将当前节点(进程)地址赋值给全局变量p，然后将ready作为就绪队列头节点。接着每次读入一个都要执行一次sort(),因为此处采用的是插入排序，每次根据优先数寻找合适位置插入队列。如下所示，上述代码的插入排序sort()流程图:

也就是边输入边插入，当input()函数执行完毕即得到了一个ready为头结点，存储结构为链表的就绪队列。
    接着按照题目给出流程图做就行了，难度不大。从流程图可以看出有一个循环，也就是一个循环相当于过去了一个CPU时间片。关于循环，直接使用while()，而结束循环的条件就是：就绪队列以及运行进程都为空，即while(p!=NULL || ready!=NULL)。P就相当于正在运行的进程。
每次进入running()就将ready队列的头结点移动到p，也就是优先数最大的进程进入运行状态，并将此进程移出队列。若时间片到(进入running就直接相当于过去了一个CPU时间片，即时间片到)，该队列状态回到’W’，已耗时增加1,然后重新将p插入就绪队列。若进程运行完毕(总需要时间=已耗费时间)，则调用destroy()释放PCB。
    destroy()负责PCB的释放，也就是将即将退出运行状态的进程释放，即p,并将p指针置空。

2、 实验结果分析
  实验结果截图：

【实验总结】

    排序中的p->link=NULL十分重要，这是本人遇到bug经过调试才发现的。不在此处初始化link而是input()里面初始化p->link会在后面调度时，容易造成链表最后一个节点的link不为NULL，也就是变成了循环链表，导致check()函数死循环的出现。
    实验可以加强理论知识的记忆和理解，做实验一定要动手撸代码。此整体难度不大，但是对于PCB的理解和记忆确实有了加强。