操作系统课程设计（作业调度、内存管理、进程调度、进程阻塞等）
操作系统课程设计
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一、课程设计目的
操作系统是计算机系统配置的基本软件之一。它在整个计算机系统软件中占有中心地位。其作用是对计算机系统进行统一的调度和管理，提供各种强有力的系统服务，为用户创造既灵活又方便的使用环境。本课程是计算机及应用专业的一门专业主干课和必修课。
通过课程设计，使学生掌握操作系统的基本概念、设计原理及实施技术,具有分析操作系统和设计、实现、开发实际操作系统的能力。
二、课程设计内容和要求
1、提交一批作业（>=10），按先来先服务选择一部分作业（最多5个）进入内存
2、为每个作业创建一个进程，并分配内存（用户内存：0—1024K，采用可变连续分配方式）
3、进程调度功能（时间片轮转）
4、随机阻塞进程，并在一段时间后唤醒进程（选做）
5、显示相关信息：后备作业队列、内存分配情况、进程信息、完成作业情况
6、这些功能要有机地连接起来
三、软、硬件环境
软件：Window10，Dev-C++
硬件：CPU：Intel® Core™ i5-8265U CPU @ 1.60GHz 1.80 GHz
RAM：8.00GB
四、设计步骤及实现
1、课程设计题目分析
本次课程设计将作业调度（先来先服务算法）、动态内存管理（首次适应算法）、进程调度（时间片轮转调度算法）、进程阻塞（随机阻塞进程和唤醒进程）等功能有机结合。首先，需要按照用户输入的作业数随机初始化相应的作业并构成后备作业队列，同时初始化内存分区表以及进程队列，即后备作业队列模拟外存，进程队列模拟内存，内存分区表用于内存管理，然后使用先来先服务（FCFS）进行作业调度，即模拟将作业从外存调入到内存，再使用时间片轮转调度算法（RR）进行进程调度。其中，最多只能有5个作业同时进入内存，即内存中处于运行、等待、阻塞的进程数之和最多为5个。因此在本次课程设计中我用一个全局变量记录当前进程数，当前进程数小于5时，从后备作业队列中调入已到达并且未完成作业并为该作业创建进程同时使用首次适应算法（FF）为其分配内存，再进行进程调度，并在进程调度的过程中，随机阻塞进程，并在一定的时间后唤醒进程。本次课程设计中我用一个指针记录当前执行的进程，每一次从该进程开始找进程为wait并执行一定时间。若当前进程完成（即包含作业已完成）时，释放该进程占用的内存并将该已完成的作业调到后备作业队列的末尾，即已完成作业从内存调出。整个进程调度的过程直到后备作业队列的第一个作业为完成状态以及进程队列为空则结束。
2、算法流程图
3、程序代码
3.1 头文件及数据结构
#include 3.2 函数声明及主函数
// 函数声明
// 初始化内存分区
void initNode(Node *node);
// 首次适应算法分配内存
bool first_fit(Node *node_list,PCB *new_process);
// 随机产生一批作业(>=10个)
void create_task(Task *task_list);
// 按到达时间插入新作业
void insert_task(Task *task_list,Task *new_task);
// 将已完成作业调整到作业队列尾部
void finish_task(Task *task_list,PCB *finish_process);
// 先来先服务选择作业
void change_task(Node *node_list,Task *task_list,PCB *process_list);
// 创建新进程
bool create_process(PCB *process_list,Task *move_task,Node *node_list);
// 按起始地址插入新进程
void insert_process(PCB *process_list,PCB *new_process);
// 随机阻塞进程
void block_process(PCB *process_list);
// 唤醒进程
void notify_process(PCB *process_list);
// 时间片轮转调度算法
void round_robin(Node *node_list,Task *tasl_list,PCB *process_list);
// 展示：内存分区表、内存分配情况
void show_node(Node *node_list);
// 展示：后备作业队列、作业完成情况
void show_task(Task *task_list);
// 展示：进程运行情况、作业完成情况
void show_process(PCB *process_list);
// 主函数
int main(){
srand(time(NULL));
// 创建内存分区链表
Node *node_list = (Node*)malloc(sizeof(Node));
if(node_list == NULL){
printf("动态内存分配失败！");
}else{
node_list->next = NULL;
}
initNode(node_list);
// 创建后备作业队列
Task *task_list = (Task*)malloc(sizeof(Task));
if(task_list == NULL){
printf("动态内存分配失败！");
}else{
task_list->next = NULL;
}
create_task(task_list);
// 创建空进程队列
PCB *process_list = (PCB*)malloc(sizeof(PCB));
if(process_list == NULL){
printf("动态内存分配失败！");
}else{
process_list->next = NULL;
}
printf("初始状态：\n");
show_node(node_list);
show_task(task_list);
show_process(process_list);
// 调用时间片轮转调度算法
round_robin(node_list,task_list,process_list);
}
3.3 初始化内存分区
// 初始化内存分区
void initNode(Node *node){
Node *new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
if(new_node == NULL){
printf("动态内存分配失败！");
}
// 分区起址
new_node->begin = 0;
// 分区大小
new_node->size = Max_Memory;
// 分区状态：0代表空闲，1代表占用
new_node->status = 0;
// 进程名
sprintf(new_node->process_name,"%s","无");
// 后向指针
new_node->next = NULL;
// 将该初始化分区放入分区链表
node->next = new_node;
}
3.4 首次适应算法分配内存
// 首次适应算法分配内存
bool first_fit(Node *node_list,PCB *new_process){
Node *move = node_list->next;
// 空闲内存分区链不为空
while(move != NULL){
// 空闲的空间
if(move->status == 0){
// 剩余空间大于作业需要的内存空间，可分配
if(move->size > new_process->size){
// 分配后剩余的空间
Node *p = (Node*)malloc(sizeof(Node));
p->begin = move->begin + new_process->size;
p->size = move->size - new_process->size;
p->status = 0;
sprintf(p->process_name,"%s","无");
// 分配给进程的空间
move->size = new_process->size;
move->status = 1;
sprintf(move->process_name,"%s",new_process->process_name);
// 改变节点的连接
p->next = move->next;
move->next = p;
break;
}else if(move->size == new_process->size){
// 空闲空间和作业需要的内存空间大小相等时，可分配
move->status = 1;
sprintf(move->process_name,"%s",new_process->process_name);
break;
}
}
// 已到空闲内存分区链末尾
if(move->next == NULL){
printf("内存分配失败，没有足够大的内存分配给该进程！\n");
return false;
}
move = move->next;
}
new_process->begin = move->begin;
show_node(node_list);
return true;
}
3.5 回收内存并将其中作业调整到后备作业队列
// 回收内存并将其中作业调整到后备作业队列
void recycle(Node *node_list,PCB *finish_process){
Node *move = node_list->next;
while(true){
// 当进程队列的第一个进程占用内存需释放时
if(strcmp(move->process_name,finish_process->process_name) == 0){
move->status = 0;
sprintf(move->process_name,"%s","无");
break;
}else if(move->status == 0 && strcmp(move->next->process_name,finish_process->process_name) == 0){
// 当move指向需释放空间的前驱结点，需释放空间的上一块空间空闲时
// 合并需释放空间上一块空间和需释放空间
move->size = move->size + move->next->size;
Node *q = move->next;
move->next = move->next->next;
// 释放内存
free(q);
break;
}else if(strcmp(move->next->process_name,finish_process->process_name) == 0){
// 需释放空间的上一块空间忙碌时
// move指向当前释放的内存空间
move = move->next;
move->status = 0;
sprintf(move->process_name,"%s","无");
break;
}else if(move->next == NULL){
// 已走到链表末尾，此时表明进程名都不匹配
printf("此进程不存在！\n");
break;
}
move = move->next;
}
// 需释放空间的下一个空间空闲时
if(move->next != NULL && move->next->status == 0){
move->size = move->size + move->next->size;
Node *q = move->next;
move->next = move->next->next;
free(q);
}
}
3.6 随机产生一批作业（>=10）
// 随机产生一批作业(>=10)
void create_task(Task *task_list){
printf("\n请输入产生的作业数(>=10)：");
int number;
scanf("%d",&number);
printf("\n");
int i = 1;
// 循环创建后备作业队列
while(i <= number){
// 创建新作业
Task *new_task = (Task*)malloc(sizeof(Task));
if(new_task == NULL){
printf("动态内存分配失败！");
}
// 作业名
sprintf(new_task->task_name,"%s%d","T",i);
// 到达时间(0~8)
if(task_list->next == NULL){
new_task->arrive_time = 0;
}else{
new_task->arrive_time = rand()%19;
}
// 服务时间(1~10)
new_task->need_time = rand()%12+1;
// 所需内存(31~200)
new_task->size = rand()%(Max_Memory/5)+31;
// 作业状态
new_task->status = status_wait;
// 后向指针
new_task->next = NULL;
// 创建下一作业
++i;
// 将新作业插入后备作业队列
insert_task(task_list,new_task);
}
}
3.7 按到达时间插入新作业
// 按到达时间插入新作业
void insert_task(Task *task_list,Task *new_task){
int arrive_time = new_task->arrive_time;
Task *move = task_list;
while(move->next != NULL){
if(move->next->arrive_time > arrive_time){
new_task->next = move->next;
move->next = new_task;
return;
}
move = move->next;
}
move->next = new_task;
}
3.8 将已完成作业调整到作业队列尾部
// 将已完成作业调整到作业队列尾部
void finish_task(Task *task_list,PCB *finish_process){
Task *finish_task = (Task*)malloc(sizeof(Task));
if(finish_task == NULL){
printf("动态内存分配失败！");
}
sprintf(finish_task->task_name,"%s",finish_process->task_name);
finish_task->arrive_time = finish_process->arrive_time;
finish_task->need_time = finish_process->need_time;
finish_task->size = finish_process->size;
finish_task->status = finish_process->status;
finish_task->next = NULL;
Task *move = task_list;
while(move->next != NULL){
move = move->next;
}
move->next = finish_task;
show_task(task_list);
}
3.9 先来先服务选择作业
// 先来先服务选择作业
void change_task(Node *node_list,Task *task_list,PCB *process_list){
/*
由于进程最多5个并发，即等待、阻塞、运行的进程数最多为5个
所以从作业队列中选择作业不能使进程超过5个，而且要考虑作业是否到达
*/
// 选择作业
Task *move = task_list->next;
while(sum < 5 && move != NULL && move->status != status_finish && move->arrive_time <= Total_time){
// 先保存要调入内存的作业
Task *move_task = move;
// 为该作业创建进程
if(create_process(process_list,move_task,node_list)){
// 分配内存成功
sum++;
// 剔除作业
Task *p = task_list;
while(p->next != move){
p = p->next;
}
p->next = move->next;
move = p->next;
}else{
move = move->next;
}
}
}
3.10 为新调入内存的作业创建新进程
// 为新调入内存的作业创建新进程
bool create_process(PCB *process_list,Task *move_task,Node *node_list){
PCB *new_process = (PCB*)malloc(sizeof(PCB));
if(new_process == NULL){
printf("动态内存分配失败！");
}
// 进程名
sprintf(new_process->process_name,"%s%d","P",++number);
// 到达时间
new_process->arrive_time = move_task->arrive_time;
// 仍需时间
new_process->need_time = move_task->need_time;
// 进程状态
new_process->status = move_task->status;
// 阻塞时长
new_process->block_time = 0;
// 占用内存起址
new_process->begin = 0;
// 占用内存大小
new_process->size = move_task->size;
// 占用作业
sprintf(new_process->task_name,"%s",move_task->task_name);
// 后向指针
new_process->next = NULL;
// 为新进程分配内存
if(!first_fit(node_list,new_process)){
free(new_process);
return false;
}
// 将新进程放入进程队列
insert_process(process_list,new_process);
return true;
}
3.11 按起始地址插入新进程
// 按起始地址插入新进程
void insert_process(PCB *process_list,PCB *new_process){
int begin = new_process->begin;
PCB *move = process_list;
while(move->next != NULL){
if(move->next->begin > begin){
new_process->next = move->next;
move->next = new_process;
return;
}
move = move->next;
}
move->next = new_process;
show_process(process_list);
}
3.12 随机阻塞进程
// 随机阻塞进程
void block_process(PCB *process_list){
// 随机生成阻塞进程名
int block_id = rand()%number+1;
char block_pro[5];
sprintf(block_pro,"%s%d","P",block_id);
PCB *move = process_list->next;
while(move != NULL){
if(strcmp(move->process_name,block_pro) == 0){
// 更新进程状态
move->status = status_block;
// 将阻塞时长置0
move->block_time = 0;
printf("阻塞进程：%s\n",move->process_name);
return;
}
move = move->next;
}
}
3.13 唤醒进程
// 唤醒进程
void notify_process(PCB *process_list){
PCB *move = process_list->next;
while(move != NULL){
if(move->block_time >= Block_Time){
// 更新进程状态
move->status = status_wait;
// 将阻塞时长置0
move->block_time = 0;
printf("唤醒进程：%s\n",move->process_name);
}
move = move->next;
}
}
3.14 时间片轮转调度算法
// 时间片轮转调度算法
void round_robin(Node *node_list,Task *task_list,PCB *process_list){
/*
用一个全局变量记录当前进程数，当前进程数小于5时，从作业队列中调入已到达作业并为作业创建进程分配内存
用一个指针记录当前执行的进程，每一次从该进程开始找进程为wait并执行一个时间片
当一个进程完成时，释放该进程占用的内存并将该已完成的作业调到后备作业队列的末尾
整个调度过程直到后备作业队列的第一个作业为完成状态以及进程队列为空则结束
在进程调度的过程中，随机阻塞进程：一定的时间后唤醒进程
*/
// 记录当前执行进程的位置，初始指向进程队列的第一个进程
runIndex = process_list->next;
while (sum != 0 || task_list->next->status != status_finish) {
// 保存旧进程数
int old_sum = sum;
// 当前进程数小于5并且仍然有作业未完成，从后备队列选择作业
if(sum < 5 && task_list->next != NULL && task_list->next->status != status_finish){
change_task(node_list,task_list,process_list);
}
// 随机阻塞进程
block_process(process_list);
// 唤醒进程
notify_process(process_list);
// 刚好runIndex指向NULL且当前进程数增加
if(runIndex == NULL && old_sum < sum){
// 找出之前进程的最后一个
int move_sum = 0;
PCB *move = process_list;
while(move_sum < old_sum){
move_sum++;
move = move->next;
}
// runIndex指向新加入的进程
runIndex = move->next;
}else if(runIndex == NULL){
// 当runIndex指向NULL且当前进程数未增加
// runIndex重新指向进程队列的第一个进程
runIndex = process_list->next;
}
// 经过以上处理runIndex仍然为NULL，则当前无进程无作业到达
if(runIndex == NULL){
printf("当前无进程且无作业到达！\n");
printf("等待作业到达。。。。。。\n");
printf("等待时长：%d\n",task_list->next->arrive_time - Total_time);
Total_time += task_list->next->arrive_time - Total_time;
printf("进程调度总时间：%d\n",Total_time);
continue;
}
// 循环遍历进程队列，找到进程状态为wait的进程并执行
PCB *memoryIndex = runIndex;
while(runIndex->status != status_wait){
runIndex = runIndex->next;
// runIndex走到进程队列末尾
if(runIndex == NULL){
runIndex = process_list->next;
}
// runIndex循环一遍后仍找不到状态为wait的进程
if(runIndex == memoryIndex){
show_process(process_list);
// 表示所有进程都阻塞
// 找出距离阻塞进程被唤醒最近的进程，等待该进程被唤醒
int notify_time = Block_Time - process_list->next->block_time;
PCB *move = process_list->next;
while(move != NULL){
// 如果有距离阻塞进程被唤醒更近的进程
if(Block_Time - move->block_time < notify_time){
// 更新唤醒时长
notify_time = Block_Time - move->block_time;
}
move = move->next;
}
printf("当前进程全部阻塞，等待进程被唤醒！\n");
printf("等待时长：%d\n",notify_time);
// 此时已找出距离阻塞进程被唤醒最近时长
move = process_list->next;
while(move != NULL){
// 等待进程被唤醒
// 更新所有进程的阻塞时长
move->block_time += notify_time;
move = move->next;
}
// 更新进程调度总时间
Total_time += notify_time;
show_process(process_list);
// 唤醒进程
notify_process(process_list);
show_process(process_list);
// 重新进行进程调度
printf("进程调度总时间：%d\n",Total_time);
continue;
}
}
// 执行当前进程
runIndex->status = status_run;
show_process(process_list);
// 判断该进程是否能完成
if (runIndex->need_time-TIME_SLICE > 0) {
// 进程执行一个时间片后无法完成
// 更新进程调度总时间
Total_time += TIME_SLICE;
// 更新进程仍需时间
runIndex->need_time -= TIME_SLICE;
// 更改进程状态
runIndex->status = status_wait;
// 指向下一进程
runIndex = runIndex->next;
// 更新阻塞时长
PCB *p = process_list->next;
while(p != NULL){
if(p->status == status_block){
p->block_time += TIME_SLICE;
}
p = p->next;
}
}else{
// 进程可以完成
// 更新阻塞时长
PCB *p = process_list->next;
while(p != NULL){
if(p->status == status_block){
p->block_time += runIndex->need_time;
}
p = p->next;
}
// 更新进程调度总时间
Total_time += runIndex->need_time;
// 更新进程仍需时间
runIndex->need_time = 0;
runIndex->status = status_finish;
show_process(process_list);
// 移除该进程同时释放内存并将其中作业调整到后备作业队列
PCB *finish_process = runIndex;
PCB *move = process_list;
while(move->next != runIndex){
move = move->next;
}
// 移除进程
move->next = runIndex->next;
// 指向下一进程
runIndex = move->next;
// 将其中作业调整到后备作业队列并释放内存
finish_task(task_list,finish_process);
recycle(node_list,finish_process);
free(finish_process);
sum--;
}
show_node(node_list);
show_task(task_list);
show_process(process_list);
printf("进程调度总时间：%d\n",Total_time);
}
}
3.15 展示函数
// 展示：内存分区表、内存分配情况
void show_node(Node *node_list){
Node *move = node_list->next;
printf("************************************************************************************\n");
printf(" 内存分区表 \n");
printf("－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－\n");
printf("|起始地址 分区大小 占用进程 分区状态|\n");
while(move != NULL){
if(move->status == 0){
printf("| %d\t %d\t %s\t Free |\n",move->begin,move->size,move->process_name,move->status);
}else{
printf("| %d\t %d\t %s\t Busy |\n",move->begin,move->size,move->process_name,move->status);
}
move = move->next;
}
printf("－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－\n");
}
// 展示：后备作业队列、作业完成情况
void show_task(Task *task_list){
Task *move = task_list->next;
printf(" 后备作业队列 \n");
printf("～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～\n");
printf("|作业名 到达时间 所需时间 所需内存 作业状态|\n");
while(move != NULL){
printf("| %s\t %d\t %d\t %d\t %c |\n",move->task_name,move->arrive_time,move->need_time,move->size,move->status);
move = move->next;
}
printf("～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～\n");
}
// 展示：进程运行情况、作业完成情况
void show_process(PCB *process_list){
PCB *move = process_list->next;
printf(" 当前各进程PCB信息 \n");
printf("﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀\n");
printf("|进程名 到达时间 仍需时间 进程状态 阻塞时长 内存起址 内存大小 占用作业|\n");
while(move != NULL){
printf("| %s\t %d\t %d\t %c\t %d\t %d\t %d\t %s |\n",
move->process_name,move->arrive_time,move->need_time,move->status,move->block_time,move->begin,move->size,move->task_name);
move = move->next;
}
printf("﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀﹀\n");
}
4、运行结果及分析（由于运行结果过多，此处仅展示关键部分）
用户向系统提交需随机产生10个作业，此时为进程调度的初始状态。内存尚为进行分配，暂无进程信息，内存初始化大小为1024K，随机生成的10个作业已按到达时间排序成后备作业序列（外存）。
此时已从外存中将作业T1和T9调入内存，分配所需内存并创建进程P1和P2，同时此时随机阻塞了进程P2，P1进程运行一个时间片（2），同时P2进程更新阻塞时长，当P2进程阻塞时长达到一定值时，会被唤醒。
此时内存中已有P1~P5共5个进程，后备作业队列中仍未有作业完成，当前进程调度总时间为20，此时阻塞进程P5，即进程P5的阻塞时长置0，唤醒进程P1，即进程P1的阻塞时长置0的同时更改进程状态为等待（W），又刚好排到进程P1执行，更改进程状态为运行（R），并在此过程中，该进程所包含的作业T1可完成，所以完成作业T1后，将该作业调整到后备作业队列的末尾并将其对应进程P1所占用的内存释放。
此时当前进程仅剩进程P6，当进程P6被阻塞时，会就此等待进程P6的阻塞时长到达特定值后唤醒并再次进行进程调度，虽然进程P6可能再次被阻塞，但最终还是会完成进程P6。此边界情况如进程队列中所有进程同时阻塞，此时会等待进程中距离唤醒时长最短的进程被唤醒并再次进行进程调度。虽然进程可能再次被阻塞，但最终还是会完成该进程。可防止出现因所有进程均阻塞而进入死循环，使程序更具有稳定性。
此时最后一个进程P6中所包含的作业T7完成，进程调度总时间为90，此时进程队列已为空，内存分区表回到初始状态，后备作业队列中所有的作业状态均显示已完成，表示此次整个进程调度的过程已结束。
五、心得体会
我在完成此次课程设计之前已自主完成了进程调度、银行家算法、内存管理、磁盘调度四个实验，因此在完成课程设计的过程中没有出现什么原则上的错误，但还是会出现一些小纰漏，如在创建进程时内存申请不成功便将作业从后备作业队列中剔除，导致程序运行结果混乱。因此我在剔除作业前先尝试为进程申请内存，若申请成功，则返回true告知可以从后备作业队列中剔除作业，这样就不会出现差错了。在本次课程设计中，与以往进程调度实验不同的是要求随机阻塞进程，我使用随机生成进程号，并判断当前进程队列中是否存在匹配进程，有则阻塞，无则放弃。同时在进程结构体中设置阻塞时长字段，在进程调度过程中，更新被阻塞进程的阻塞时长，当该阻塞时长达到特定值时，对相应进程进行唤醒，较好的解决的阻塞与唤醒进程的要求。
本次课程设计的难点在于如何将作业调度、进程调度、内存分配管理等有机地结合来。虽然该过程难度较高，但通过亲手编写代码，一步一步地分析与调试，最后完成需求功能，满足了内心大大的成就感，激起我对操作系统学习的兴趣，同时也在一定程度加深了我对操作系统的部分内部运行原理的理解，更进一步掌握了操作系统的设计、分析、实现的流程。总之，收获良多。