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前言
计算机操作系统是管理计算机硬件和软件资源的核心软件，它负责为用户提供一个友好、高效、安全的使用环境。进程调度是操作系统的一个重要功能，它决定了进程在处理器上的执行顺序和时间，从而影响了系统的性能和用户的体验。本实验旨在通过模拟不同的进程调度算法，比较它们的优缺点，加深对操作系统原理和设计的理解和掌握。
一、开发语言及实验平台
C++/JAVA
Turbo C / Microsoft Visual Studio 6.0 / Microsoft Visual Studio .NET 2010
在本文中使用的是c语言（？），使用的平台是devc++
二、实验目的
（1）加深对进程的概念及进程调度算法的理解；
（2）在了解和掌握进程调度算法的基础上，编制进程调度算法通用程序，将调试结果显示在计算机屏幕上，并检测机算和笔算的一致性。
三、实验要求
（1）了解进程调度；
（2）理解利用进程调度算法进行调度的原理；
（3）使用某种编程语言进行算法模拟。
四、实验原理
- 例题：设计一个有N个进程的进程调度算法。
进程调度算法：采用最高优先数的调度算法（即把处理机分配给优先数最高的进程）。
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的指定（也可以由随机数产生）。进程的到达时间为进程的输入的时间。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，则撤销该进程，如果运行一个时间片后，进程的已占用CPU时间还未达到所需要的运行时间，也就是进程还需要继续运行，此时应该将进程的优先数减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，直到所要的进程都完成为止。
分析:
使用固定队列与静动态优先级结合，每个优先级为0~0xFF,并且以小的数字为高优先级，大的数字为低优先级，每次皆使用循环得到最高优先级的进程并执行，然后将其动态优先级设置为最低，并将其他进程动态优先级提高，以使得每个进程都有机会运行。进程的优先级与运行时间由随机数产生。
五、实验过程
代码如下：
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
/*常量和状态定义*/
#define PRO_NUM 0x05
#define MAX_TIME 0xFF
/*状态宏*/
#define WAIT 0x01
#define RUN 0x02
#define FINISH 0x03
#define ID_ERROR 0x10
#define MIN_PRIOR 0xFF //255
#define MAX_PRIOR 0x00 0
typedef unsigned int Uint32;
/*进程PCB*/
struct PCB_Info
{
Uint32 s_id;
Uint32 s_static_prior;
Uint32 s_dynamic_prior;
Uint32 s_start_time;
Uint32 s_need_time;
Uint32 s_used_time;
Uint32 s_state;
};
/*进程队列*/
PCB_Info g_queue[5];
Uint32 g_time = 0;
/*模拟进程执行函数*/
void Simulator();
/*初始化5个进程函数*/
void Init_Process();
/*初始化进程队列函数*/
void Init_Queue();
/*创建进程函数*/
Uint32 Create_Process(Uint32 pri,Uint32 needtime);
/*系统运行函数*/
void Run_Process();
/*得到最高优先级进程 ID函数*/
Uint32 Get_PriProcess();
/*进程时间片执行函数*/
void Work_Process(Uint32 id);
/*改变进程状态和优先级函数*/
void Change_Process(Uint32 id);
/*打印进程状态函数*/
void Print_State();
/*结束系统函数*/
void End_Process();
/*入口函数*/
int main( int argc, char *argv[ ])
{
Simulator();
return 0;
}
void Simulator()
{
Init_Process();
Run_Process();
End_Process();
}
void Init_Process()
{
int i;
Uint32 id;
srand( (unsigned)time( NULL ) );
Init_Queue();
for(i=0;i<PRO_NUM;++i)
{
/*在这里修改随机数的范围，建议优先级取值为0到4之间，进程工作总时间为1到10之间*/
id=Create_Process(rand()%5, 1+rand()%10);
if(id!=ID_ERROR)
{
printf("**********************************\n");
printf("创建进程成功\n");
printf("进程ID号为:%d\n",id);
printf("进程的静态优先权为:%d\n",g_queue[id].s_static_prior);
printf("进程的动态优先权为:%d\n",g_queue[id].s_dynamic_prior);
printf("进程的到达时间为:%d\n",g_queue[id].s_start_time);
printf("进程需要时间为:%d\n",g_queue[id].s_need_time);
printf("进程已用CPU时间为:%d\n",g_queue[id].s_used_time);
printf("进程的状态为:%d\n",g_queue[id].s_state);
printf("\n");
}
else
{
printf("创建进程失败\n");
}
}
}
void Init_Queue()
{
int i;
for(i=0;i<PRO_NUM;++i)
{
g_queue[i].s_id=i;
g_queue[i].s_dynamic_prior=MIN_PRIOR; //255
g_queue[i].s_need_time=0;
g_queue[i].s_start_time=0;
g_queue[i].s_static_prior=MIN_PRIOR;
g_queue[i].s_used_time=0;
g_queue[i].s_state=FINISH;
//g_queue[i].s_state=Sart;//这里有一个错误，在这里Sart并没有被定义，根据上下文，这里应该是想将进程的状态设置为START或者WAIT，根据上面的宏定义，将这里改成WAIT
}
}
Uint32 Create_Process(Uint32 pri,Uint32 needtime)
{
int i=0;
Uint32 id=ID_ERROR;
for(i=0;i<PRO_NUM;++i)
{
if(g_queue[i].s_state ==FINISH)
{
id=g_queue[i].s_id;
g_queue[i].s_dynamic_prior=MIN_PRIOR;
g_queue[i].s_need_time=needtime;
g_queue[i].s_start_time=g_time;
g_queue[i].s_state=WAIT;
g_queue[i].s_static_prior=pri;
g_queue[i].s_used_time=0x0;
break;
}
}
return id;
}
void Run_Process()
{
Uint32 id;
while((id=Get_PriProcess())!=ID_ERROR)
{
Work_Process(id);
Change_Process(id);
}
}
void Print_State()
{
int i;
printf("时间 进程ID\t状态 已用时间 需要时间 开始时间 静优先级 动优先级\n");
for(i=0;i<PRO_NUM;++i)
{
printf("%d\t%d\t%d\t%d\t%d\t%d\t%d\t%d\n",g_time,g_queue[i].s_id,g_queue[i].s_state,g_queue[i].s_used_time,g_queue[i].s_need_time,
g_queue[i].s_start_time,g_queue[i].s_static_prior,g_queue[i].s_dynamic_prior);
}
}
Uint32 Get_PriProcess()
{
Uint32 id=ID_ERROR;
int i, prev_id=ID_ERROR;
Uint32 prior=MIN_PRIOR*2, temp_prior;
for(i=0;i<PRO_NUM;++i)
{
if(g_queue[i].s_state!=FINISH)
{
temp_prior=g_queue[i].s_dynamic_prior+g_queue[i].s_static_prior;
if(temp_prior<=prior)
{
id=i;
prior=temp_prior;
}
}
}
return id;
}
void Work_Process(Uint32 id)
{
++g_time;
g_queue[id].s_state=RUN;
++g_queue[id].s_used_time;
Print_State();
}
void Change_Process(Uint32 id)
{
int i;
if(g_queue[id].s_need_time==g_queue[id].s_used_time)
{
g_queue[id].s_state=FINISH;
}
else
{
g_queue[id].s_dynamic_prior=MIN_PRIOR;
g_queue[id].s_state=WAIT;
}
for(i=0;i<PRO_NUM;++i)
{
if((i!=id)&&(g_queue[i].s_state!=FINISH))
{
g_queue[i].s_dynamic_prior >0 ?--g_queue[i].s_dynamic_prior:g_queue[i].s_dynamic_prior=0;
}
}
}
void End_Process()
{
printf("所有进程结束状态:\n");
Print_State();
printf("所有进程已经结束!\n");
}
六、代码详解
这是一段C语言的进程调度程序，现在来解释一下这段代码：
这段代码是一个简单的进程调度程序，它使用优先级调度算法来模拟进程的执行。程序中定义了一些常量和状态，包括进程数量、最大时间、等待状态、运行状态和完成状态。它还定义了一个PCB_Info结构体，用来表示进程的PCB（进程控制块），其中包含了进程的ID、静态优先级、动态优先级、开始时间、需要时间、已使用时间和状态。
代码中还定义了一个全局变量g_queue，用来表示进程队列，以及一个全局变量g_time，用来表示当前时间。此外，还定义了一些函数原型，包括模拟进程执行函数Simulator()，初始化5个进程函数Init_Process()，初始化进程队列函数Init_Queue()，创建进程函数Create_Process()，系统运行函数Run_Process()，得到最高优先级进程ID函数Get_PriProcess()，进程时间片执行函数Work_Process()，改变进程状态和优先级函数Change_Process()，打印进程状态函数Print_State()和结束系统函数End_Process()。
在main()函数中调用了Simulator()函数来模拟整个系统的运行。Simulator()函数中依次调用了Init_Process()函数来初始化5个进程，Run_Process()函数来运行系统，并在最后调用End_Process()函数来结束系统。
Init_Process()函数用来初始化5个进程。在这个函数中，首先调用了Init_Queue()函数来初始化进程队列，然后使用for循环来创建5个进程。在循环中，使用rand()函数来生成随机数，作为创建进程的优先级和需要时间的参数。然后调用Create_Process()函数来创建进程，并根据返回值判断是否创建成功。如果创建成功，则打印出进程的相关信息；否则，打印出创建失败的信息。
Init_Queue()函数用来初始化进程队列。在这个函数中，使用for循环来遍历进程队列中的每一个元素，并对其进行初始化。初始化包括设置进程的ID、动态优先级、需要时间、开始时间、静态优先级、已使用时间和状态。
Create_Process()函数用来创建进程。在这个函数中，首先遍历进程队列，寻找一个状态为FINISH的进程。如果找到了，则将其ID赋值给id变量，并对其进行初始化，包括设置动态优先级、需要时间、开始时间、状态、静态优先级和已使用时间。最后返回id变量的值。
Run_Process()函数用来运行系统。在这个函数中，首先调用Get_PriProcess()函数来获取最高优先级的进程ID。如果返回值不等于ID_ERROR，则调用Work_Process()函数来执行该进程，并调用Change_Process()函数来改变该进程的状态和优先级。然后继续循环，直到Get_PriProcess()函数返回ID_ERROR为止。
Get_PriProcess()函数用来获取最高优先级的进程ID。在这个函数中，首先定义了一个id变量并初始化为ID_ERROR，然后使用for循环来遍历进程队列中的每一个元素。对于每一个元素，如果它的状态不为FINISH，则计算它的优先级（静态优先级+动态优先级），并与当前最高优先级进行比较。如果它的优先级小于等于当前最高优先级，则更新id变量和当前最高优先级。最后返回id变量的值。
Work_Process()函数用来执行进程。在这个函数中，首先将全局变量g_time加1，然后将指定进程的状态设置为RUN，并将其已使用时间加1。最后调用Print_State()函数来打印进程状态。
Change_Process()函数用来改变进程状态和优先级。在这个函数中，首先判断指定进程是否已经完成（即已使用时间等于需要时间）。如果已经完成，则将其状态设置为FINISH；否则，将其动态优先级设置为MIN_PRIOR，并将其状态设置为WAIT。然后使用for循环来遍历进程队列中的其他元素，并对它们的动态优先级进行更新。
End_Process()函数用来结束系统。在这个函数中，首先打印出所有进程结束状态的信息，然后调用Print_State()函数来打印进程状态。最后打印出所有进程已经结束的信息。
效果如下：
以上。
总结
本实验通过编写一个C语言的进程调度程序，来模拟优先级调度算法的过程和效果。程序中定义了进程的PCB结构体，包含了进程的ID、静态优先级、动态优先级、开始时间、需要时间、已使用时间和状态等信息。程序还定义了一些函数，用来初始化进程队列、创建进程、运行系统、获取最高优先级进程、执行进程、改变进程状态和优先级、打印进程状态和结束系统等功能。程序使用了随机数来生成进程的优先级和需要时间，并使用循环来遍历进程队列，找到最高优先级的进程并执行，然后降低其动态优先级，并提高其他进程的动态优先级，以保证每个进程都有机会运行。程序在每次执行一个进程后，都会打印出当前的时间和所有进程的状态，以便观察和检查。程序在所有进程都完成后，会打印出最终的结果，并结束系统。
通过本实验，加深了对进程调度算法的理解和掌握，熟悉了C语言的编程技巧和调试方法，提高了分析问题和解决问题的能力。