操作系统-进程调度--优先级调度算法和时间片轮转算法

一、实验内容与要求

1. 优先权法、轮转法
   简化假设
   1）进程为计算型的（无I/O）
   2）进程状态：ready、running、finish
   3）进程需要的CPU时间以时间片为单位确定
2. 算法描述
   1）优先权法——动态优先权
   当前运行进程用完时间片后，其优先权减去一个常数。
   2）轮转法
3. 要求
   1）产生的各种随机数的取值范围加以限制，如所需的CPU时间限制在1~20之间。
   2）进程数n不要太大通常取4~8个
   3）使用动态数据结构
   4）独立编程

二、实验流程图

三、实验分析

优先权调度算法
首先，时间片轮转法需要实时根据优先权大小对进程排序，优先级大的进程先运行，所以采用优先队列的数据结构是最合适的。
PCB中还需要存放进程的名称、进程的所需时间、进程的优先权、进程的状态，可以采用结构体，同时还可以自定义进程的排序方式。
初始化时，进程的所需时间范围规定为1-20；又因为每个时间片结束，进程所需时间-1，优先权-3，为使优先级不小于0，规定优先级为60-80；进程的初始状态都为ready。
采用优先级调度算法时，每次先将队首进程状态置为running，然后输出各进程的状态。若此时队首的进程状态都为finish，则代表全部的进程都已经完成，即退出；否则时间片到后，进程所需时间-1，优先权-3，再继续判断进程是否已经完成，若完成，则将进程的优先权置为最小的0后入队，保证在优先队列中，该进程总是在队尾的。
时间片轮转算法
轮转法要注意理解轮转时间片的概念，轮转时间片规定了该进程每次最多可运行的时间片数。
在轮转法中，若已占用的时间片<轮转时间片，那么该进程一直在队首占用CPU运行，采用普通的队列，每次队首出列后，只能在队尾弹入，所以我采用了双端队列的数据结构，这样在占用时间片<轮转时间片的情况下，进程可以直接弹入队首，减少了时间复杂度和空间复杂度。
另外，在轮转法中，进程完成后无法像优先队列那样一直在队尾，所以我另外开了一个队列，存放已完成的进程情况。

四、实验代码

#include 

using namespace std;

//*************************优先级调度算法****************************//

struct PCB_PSA {
    int id;             //进程名称
    int need_time;      //进程所需时间
    int priority;       //进程的优先级
    string state;       //进程的状态

    //优先队列排序，优先级大的进程先执行
    bool operator<(const PCB_PSA &a) const {
        return a.priority >= priority;
    }
};

int cnt = 1;            //记录时间
int n;                  //进程个数
char c;                 //选择调度算法
priority_queue<PCB_PSA> pcb_PSA;

//进程初始化
void init_PSA() {
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        PCB_PSA t;
        t.id = i;
        t.need_time = rand() % 20 + 1;      //进程所需时间为1~20
        t.priority = rand() % 20 + 60;      //进程优先权为60~80，因为每执行一个时间片优先权-3，优先权很快会变成负数，采用这个范围的话优先权最小为0
        t.state = "ready";                  //进程状态初始化为ready
        pcb_PSA.push(t);
    }
}

//输出当前进程运行情况
void print_PSA() {
    priority_queue<PCB_PSA> temp = pcb_PSA;
    PCB_PSA t;
    cout << endl << "当前时刻：" << cnt++ << endl;
    while (!temp.empty()) {
        t = temp.top();
        temp.pop();
        cout << "进程名称：" << t.id << "\t状态：" << t.state << "\t所需时间：" << t.need_time << "\t优先级：" << t.priority << endl;
    }
}

//优先级调度
void PSA() {
    PCB_PSA t;
    while (1) {
        //将队首进程状态改为running,然后输出进程执行情况
        t = pcb_PSA.top();
        pcb_PSA.pop();
        if (t.state != "finish")t.state = "running";
        pcb_PSA.push(t);
        print_PSA();
        t = pcb_PSA.top();
        pcb_PSA.pop();
        //若队首进程的状态为finish,则进程全部完成,退出。
        if (t.state == "finish")break;
        //时间片到，进程所需时间-1，优先权-3
        t.need_time -= 1;
        t.priority -= 3;
        //若进程所需时间为0，则将优先权置为最小0；否则状态变为ready。
        if (t.need_time == 0) {
            t.state = "finish";
            t.priority = 0;
        } else {
            t.state = "ready";
        }
        pcb_PSA.push(t);
    }
}

//********************************************************************//
//***************************时间片轮转调度算法***************************//

struct PCB_RR {
    int id;                 //进程名称
    int need_time;          //进程所需时间
    int round_time;         //进程轮转时间片
    int hold_time;          //进程占已用时间
    string state;           //进程状态
};
//pcb_finish存放已经完成的进程
deque<PCB_RR> pcb_RR, pcb_finish;


//进程初始化
void init_RR() {
    for (int i = 1; i <= n; i++) {
        PCB_RR t;
        t.id = i;
        t.need_time = rand() % 20 + 1;      //进程所需时间范围为1~20
        t.round_time = rand() % 20 + 1;     //进程轮转时间片为1~20
        t.hold_time = 0;                    //进程占用时间初始化为0
        t.state = "ready";                  //进程状态初始化为ready
        pcb_RR.push_back(t);
    }
}

//输出当前进程运行情况+已完成的进程情况
void print_RR() {
    cout << endl << "当前时刻：" << cnt++ << endl;
    deque<PCB_RR> temp = pcb_RR;
    PCB_RR t;
    while (!temp.empty()) {
        t = temp.front();
        temp.pop_front();
        cout << "进程名称：" << t.id << "\t状态：" << t.state << "\t所需时间：" << t.need_time << "\t轮转时间片：" << t.round_time << endl;
    }
    temp = pcb_finish;
    while (!temp.empty()) {
        t = temp.front();
        temp.pop_front();
        cout << "进程名称：" << t.id << "\t状态：" << t.state << "\t所需时间：" << t.need_time << "\t轮转时间片：" << t.round_time << endl;
    }
}

//轮转时间片
void RR() {
    PCB_RR t;
    while (!pcb_RR.empty()) {
        //将队首进程状态改为running,然后输出当前进程执行情况
        t = pcb_RR.front();
        pcb_RR.pop_front();
        t.state = "running";
        pcb_RR.push_front(t);
        print_RR();
        t = pcb_RR.front();
        pcb_RR.pop_front();
        //时间片到，进程所需时间-1，进程占用时间+1
        t.need_time -= 1;
        t.hold_time += 1;
        //若进程所需时间为0，则进程执行完成，入pcb_finish队列
        //若占用时间=轮转时间片，进程占用时间置0，入队尾
        //否则进程入队首
        if (t.need_time == 0) {
            t.state = "finish";
            pcb_finish.push_back(t);
        } else if (t.hold_time == t.round_time) {
            t.state = "ready";
            t.hold_time = 0;
            pcb_RR.push_back(t);
        } else {
            pcb_RR.push_front(t);
        }
    }
    print_RR();
}

//*********************************************************************//

int main() {
    srand(time(NULL));
    cout << "请输入进程数(4~8个)：";
    cin >> n;
    cout << "请选择调度方法(y：优先权法；n：轮转法)：";
    cin >> c;
    if (c == 'y') {
        init_PSA();
        PSA();
    } else if (c == 'n') {
        init_RR();
        RR();
    }
    return 0;
}