操作系统实验 - 题目二 进程调度算法的实现

2．1 题目的主要研究内容及预期达到的目标

【设计目的】
理解进程调度相关理论；掌握时间片调度原理；掌握高优先级调度原理
【课题描述】
本课题主要针对操作系统中进程调度相关理论进行设计。要求编写程序并进行测试，该程序可以对多个进程进行调度，调度算法采用基于时间片的高优先级调度。
【课题内容】
（1）设计进程控制块；
（2）设计多个进程队列；
（3）设计多个进程（≥20）；
（4）动态生成时间片、执行时间和优先级，将这些信息输出至文件中；
（5）设计基于时间片的多优先级调度算法；
（6）动态调度，并把所有调度信息输出至文件中。

2．2 题目研究的工作基础或实验条件

（1）硬件环境：windows 10
（2）软件环境：vmware

2．3 设计思想

1、 (1) 假定系统有五个进程，每一个进程用一个进程控制块PCB来代表，进程控制块的格式为：进程名、指针、要求运行时间、优先数、状态
(2) 在每次运行你所设计的处理器调度程序之前，为每个进程任意确定它的“优先数”和“要求运行时间”。
(3) 为了调度方便，把五个进程按给定的优先数从大到小连成队列。用一单元指出队首进程，用指针指出队列的连接情况。
(4) 处理器调度总是选队首进程运行。采用动态改变优先数的办法，进程每运行一次优先数就减“1”。由于本实验是模拟处理器调度，所以，对被选中的进程并不实际的启动运行，而是执行：
优先数-1
要求运行时间-1
来模拟进程的一次运行。
提醒注意的是：在实际的系统中，当一个进程被选中运行时，必须恢复进程的现场，让它占有处理器运行，直到出现等待事件或运行结束。在这里省去了这些工作。
(5) 进程运行一次后，若要求运行时间¹0，则再将它加入队列（按优先数大小插入，且置队首标志）；若要求运行时间=0，则把它的状态修改成“结束”（E），且退出队列。
(6) 若“就绪”状态的进程队列不为空，则重复上面（4）和（5）的步骤，直到所有进程都成为“结束”状态。
(7) 在所设计的程序中应有显示或打印语句，能显示或打印每次被选中进程的进程名以及运行一次后进程队列的变化。
(8) 为五个进程任意确定一组“优先数”和“要求运行时间”，启动所设计的处理器调度程序，显示或打印逐次被选中进程的进程名以及进程控制块的动态变化过程。

2．4 流程图

图2-1 基于时间片的优先级调度流程图

2.5主要程序代码

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
///模拟处理器调度
#include
#include
using namespace std;
 
enum State
{
	R,//正在运行
	E,//运行结束
};
//该程序使用C++实现，将进程控制块PCB作为私有成员
class PCB
{
public:
	//构造函数初始化成员
	PCB()
		:processName("N")
		, nextPtr(NULL)
		, runTime(rand()%7)
		, priority(rand()%7)
		, state(R)
	{}
	void Display()
	{
		cout << processName << "\t " << runTime << "\t\t " << priority;
		if (state == E)
		{
			cout << "\tE " << endl;
		}
		else
		{
			cout << "\tR " << endl;
		}
	}
	friend class queuePCB;//将队列设为PCB友元，为了使用PCB的成员
private:
	string processName;//进程名
	PCB* nextPtr;		   //指针指向队列中的下一个进程
	int runTime; //运行时间
	int priority;      //优先级
	State state;         //状态
};
 
//再定义一个队列存有PCB,
class queuePCB
{
public:
	queuePCB()
		:head(NULL)
		, p(NULL)
	{}
	PCB* Insert(PCB& pb)
	{
		//如果进程的名字没有初始化，直接输入
		if (pb.processName == "N")
		{
			cout << "请输入进程名：";
			string name;
			cin >> name;
			pb.processName = name;
		}
		p = head;
		//如果指针不为空，说明已指向队列
		if (head != NULL)
		{
			//如果队首指针的下一个指针为空，说明当前只有一个队列
			if (head->nextPtr == NULL)
			{
				//判断当前优先级是否低于下一个进程的优先级，如果低于则交换
				if (pb.priority > head->priority)
				{
					pb.nextPtr = head;
					head->nextPtr = NULL;
					head = &pb;
					Show();
					return p;
				}
				else
				{
					head->nextPtr = &pb;
					pb.nextPtr = NULL;
					Show();
					return p;
				}
			}
			//下一个指针不为空，则比较优先级
			else
			{
				if (pb.priority > head->priority)
				{
					pb.nextPtr = p;
					head = &pb;
					Show();
					return p;
				}
				while (p->nextPtr != NULL)
				{
					if (pb.priority > (p->nextPtr->priority))
					{
						pb.nextPtr = p->nextPtr;
						p->nextPtr = &pb;
						Show();
						return p;
					}
					p = p->nextPtr;
				}
				p->nextPtr = &pb;
				pb.nextPtr = NULL;
				Show();
				return p;
			}
		}
		//如果head==NULL，则当前没有队列，pb为第一个进程队列
		else
		{
			head = &pb;
			head->nextPtr = NULL;
			Show();
		}
		return p;
	}
	//进程运行
	void Run(PCB* pb)
	{
		cout << "运行进程为" << endl;
		pb->Display();
		cout << endl;
		pb->priority--; //运行一次优先级-1
		pb->runTime--;  //运行一次时间-1
		//如果时间片完成则把状态置为E
		if (pb->runTime == 0)
		{
			pb->state = E;
		}
 
	}
	//调度进程
	void Dispatch()
	{
		while (head != NULL)
		{
			Run(head);
			//如果状态为E，则移出进程队列
			if (head->state == E)
			{
				head = head->nextPtr;
				Show();
			}
			else
			{
				p = head;
				head = head->nextPtr;
				Insert(*p);
			}
		}
	}
 
	//展示进程的信息
	void Show()
	{
		PCB* tmp;
		tmp = head;
		if (tmp != NULL)
		{
			cout << "进程名" << '\t' << "所需运行时间" << '\t' << "优先级 " << '\t' << "状态" << endl;
		}
		while (tmp != NULL)
		{
			tmp->Display();
			tmp = tmp->nextPtr;
		}
	}
 
private:
	PCB* head;//指向队首的指针
	PCB* p;
};
 
int main()
{
	queuePCB qPCB;
	PCB arr[5];
	for (size_t i = 0; i < 8 i++)
	{
		qPCB.Insert(arr[i]);
	}
	cout << "进程已就绪" << endl;
	qPCB.Dispatch();
	cout << "进程运行已结束" << endl;
 
	system("pause");
	return 0;
}

2. 6 运行结果及分析

图2-2 结果图（一）

图2-3 结果图（二）

图2-4 结果图（三）

图2-5 结果图（四）

图2-6 结果图（五）

2．7 心得体会

通过此次实验，加深学习了基于时间片的优先级调度算法，并比较了时间片算法和优先级算法的不同，更加了解了操作系统原理。