课程设计大作业——基于C++采用线程思想实现电梯调度算法及实现

完整项目地址：https://download.csdn.net/download/lijunhcn/88628700

处理机管理-电梯调度

操作系统课程作业 1

项目背景及需求

某一层楼20层，有五部互联的电梯。基于线程思想，编写一个电梯调度程序。

每个电梯里面设置必要功能键：如数字键、关门键、开门键、上行键、下行键、报警键、当前电梯的楼层数、上升及下降状态等。

每层楼的每部电梯门口，应该有上行和下行按钮和当前电梯状态的数码显示器。

五部电梯门口的按钮是互联结的，即当一个电梯按钮按下去时，其他电梯的相应按钮也就同时点亮，表示也按下去了。

所有电梯初始状态都在第一层。每个电梯如果在它的上层或者下层没有相应请求情况下，则应该在原地保持不动。

开发/运行环境

环境: Windows 10 1903

语言: C++ / MinGW x64 8.1.0 / Qt 5.12.0

系统架构

项目文件:

    └─elevator
        │  README.md
        │
        ├─release
        │  │  elevator_sim.exe
        │  │  Qt5Core.dll
        │  │  Qt5Gui.dll
        │  │  Qt5Widgets.dll
        │  │
        │  ├─platforms
        │  │      qwindows.dll
        │  │
        │  └─styles
        │          qwindowsvistastyle.dll
        │
        └─src
            building.cpp
            building.h
            building.ui
            elevator.cpp
            elevator.h
            elevator.ui
            elevator_sim.pro
            elevator_sim.pro.user
            main.cpp
            mainwindow.cpp
            mainwindow.h
            mainwindow.ui

项目包含三个类: 主窗口类 mainwindow, 电梯类 elevator, 控制台类 building, 每个类均有自己的界面实现. 程序运行后, 实例化一个 mainwindow 类. 调整电梯与楼层的数量后, mainwindow 的 run() 方法实例化若干个 elevator 类和一个 building 类. 前者包括了电梯内部的楼层按钮与显示, 后者包括了电梯外部每一层楼的按钮以及每个电梯状态的显示.

mainwindow 类

程序主窗口, 继承自 QMainWindow 类

Run: 运行模拟
Stop: 停止模拟并销毁所有其他窗口
Exit, X: 销毁所有其他窗口之后退出
算法选择框: 选择外部分派算法, 共有三种算法, 在后文有详细叙述

void run(); // To start simiulations.
void my_stop(); // To stop simiulations.

elevator 类

电梯窗口, 继承自 QWidget 类
每 800ms 刷新一次状态

Slider: 用于指示电梯当前位置, 不可滑动. 上方标签为最大楼层, 下方标签为当前楼层.
Buttons: 模拟电梯内部选择楼层的按钮, 按钮为灰色代表此楼层已按下.
当前状态: 共有三种状态, 停止: P, 上升: ↑, 下降: ↓;
门状态: 共有四种, "Closed, Opened, Closing, Opening"

开门: 电梯正在运行时, 无法进行操作.

void open_door();
void renew_label();
void check_when_run();
void check_when_pause();
void timer_elevator_tick(); // Run every ELEVATOR_TIMER_TICK ms.
void cancel_request(int floor);
// Recive task request form outside(building), and add it to destO. .
// See "send_request()" in class "building".
bool recive_request(bool up = true, int floor = 1, bool forceRecive = false);

building 类

外部控制窗口, 模拟电梯外部的操作, 继承自 QWidget 类
每 100ms 刷新一次状态

Elevators: 显示所有电梯当前的状态
Floor Buttons: 每一层楼的上行和下行按钮, 按钮为灰色代表此按钮已被按下.

状态栏: 显示调度操作

void timer_building_tick(); // Run every 0.1s.
void renew_label(unsigned int i);
// Main func to select elevator(s) and send task request(s) after button clicked.
void ele_select_send(bool up = true, int floor = 1);
// Caculate every elevator's rating, for elevator selecting.
// Only be used in the ELE_SELECT_MODE_1.
int  ele_rate(bool reqUp, int reqFloor, int eleFloor, int eleStatus);
// See "recive_request" in class "elevator".
bool send_request(bool up = true, int floor = 1, elevator *ele = nullptr, bool forceRecive = false);

调度算法

内部调度算法

每一个电梯内部维护两个表: <int> destsInside 和 <int> destsOutside, 分别用来储存来自内部按钮的楼层请求和来自电梯外部按钮的请求.

destsInside

当电梯内部的按钮被按下后, 触发事件, 将按钮代表的楼层添加进数组 <int> destsInside 中.

destsOutside

电梯不主动处理外部按钮的事件, 而是以被动的形式接收外部的请求. 对于每一个外部的按钮按下事件, 用一个组合 [是否上行, 楼层] 来记录此任务. 例如按下四楼上行按钮, 则产生任务 [true, 4]. building 类负责将此任务分配给特定的电梯(下一节叙述这部分).

电梯类拥有一个方法 void recive_request(), 这个方法接收三个参数 bool up = true, int floor = 1, bool forceRecive = false. 这个方法用于接受外界的任务请求, 前两个参数描述了该任务, 而第三个参数决定是否强制此方法接受任务.

elevator 收到任务后, 首先进行判断. 在不强制电梯接受任务 (forceRecive == false) 的前提下如果任务请求和电梯状态均为上行, 且电梯当前在该楼层之上或者任务请求和电梯状态均为下行, 且电梯当前在该楼层之下时, 电梯拒绝该请求, 并返回 false.

如果电梯接收任务, 会继续判断该任务是否已经在任务列表 destsOutside 中, 如果不在, 则向 destsOutside 中添加此任务. 添加完成后, 临时添加一次电梯的状态检查 (避免添加任务后等待轮询函数的状态检查带来的滞后).

timer_elevator_tick()

电梯类有 void timer_elevator_tick(); 方法, 每 800ms 被触发器 timer 触发一次. 这个实现两个功能, 更新电梯状态, 修改 currentFloor. 之后根据电梯状态调用不同的检查函数 check_when_run() 或 check_when_pause().

check_when_run() 和 check_when_pause()

这两个方法负责检查电梯状态. 首先合并 destsInsider 和 destsOutsider 得到 dests. 之后判断电梯当前是否已经到达目的地, 如是, 则从对应的列表中删掉该任务. 之后分别判断并更新状态:

停止状态:

电梯当前位置

是否有任务在电梯当前位置之上

电梯行为

总楼层 1 2 总楼层\cfrac{1}{2} 总楼层21以上

✓ \checkmark ✓

上升 ↑

总楼层 1 2 总楼层\cfrac{1}{2} 总楼层21以上

✓ \checkmark ✓

× \times ×

上升 ↑

总楼层 1 2 总楼层\cfrac{1}{2} 总楼层21以上

× \times ×

✓ \checkmark ✓

下降 ↓

总楼层 1 2 总楼层\cfrac{1}{2} 总楼层21以上

× \times ×

不变 P

总楼层 1 2 总楼层\cfrac{1}{2} 总楼层21以下

✓ \checkmark ✓

下降 ↓

总楼层 1 2 总楼层\cfrac{1}{2} 总楼层21以下

✓ \checkmark ✓

× \times ×

下降 ↓

总楼层 1 2 总楼层\cfrac{1}{2} 总楼层21以下

× \times ×

✓ \checkmark ✓

上升 ↑

总楼层 1 2 总楼层\cfrac{1}{2} 总楼层21以下

× \times ×

不变 P

运行状态:

电梯当前状态

是否有任务在电梯当前位置之上

电梯行为

上升 ↑

✓ \checkmark ✓

不变 ↑

上升 ↑

✓ \checkmark ✓

× \times ×

不变 ↑

上升 ↑

× \times ×

✓ \checkmark ✓

下降 ↓

上升 ↑

× \times ×

停止 P

下降 ↓

✓ \checkmark ✓

不变 ↓

下降 ↓

✓ \checkmark ✓

× \times ×

不变 ↓

下降 ↓

× \times ×

✓ \checkmark ✓

上升 ↑

下降 ↓

× \times ×

停止 P

cancel_request(int floor)

这个函数是 dests 分为两个的原因.

这个函数可以供外部调用, 用于撤销任务请求.

内部调度实现

这部分代码见文件 elevator.cpp 81-173行.

外部调度算法

外部调度在类 building 中实现, 用于外部的任务的分配.

bool send_request()

这个方法用于实现与 elevator::recive_request() 的对接.

int ele_rate()

这个函数用于实现对电梯进行评分, 接受四个参数: bool reqUp (请求是否是上行), int reqFloor (请求的楼层), int eleFloor (电梯楼层), int eleStatus (电梯状态).
电梯的评分由两部分构成: distanceRating (60%) 和 statusRating (40%).

distanceRating

电梯位置

distanRating

电梯与请求楼层相同

10000

电梯与请求楼层不同

∣ e l e F l o o r − r e q F l o o r ∣ F L O O R _ N U M \cfrac{ {| eleFloor-reqFloor}|}{FLOOR\_NUM} FLOOR_NUM∣eleFloor−reqFloor∣

statusRating

首先, 如果电梯停止中, 就将 distanceRating 乘以 3.

电梯状态

请求类型

eleFloor ? reqFloor

statusRating

停止

1.0

上升

1.0

0.2

下降

0.6

0.4

下降

上升

1.0

0.2

下降

0.6

0.4

源码:

statusRating = eleStatus == 0 ? 1.0 : reqUp ? eleStatus == 1 ? eleFloor < reqFloor ? 1.0 : 0.2
                                                             : eleFloor < reqFloor ? 0.6 : 0.4
                                            : eleStatus == 2 ? eleFloor > reqFloor ? 1.0 : 0.2
                                                             : eleFloor > reqFloor ? 0.6 : 0.4;

假设有一个请求在8楼, 上行. 此时的电梯有四种运行状态和一种停止状态, 且这四种状态是轮换的

如果规定停止是状态 ⑤, 显然这五种状态的优劣: ⑤ = ① > ③ > ④ > ②. 据此得到上面的表格.

ele_select_send()

building 有三种任务分派算法:

优先级调度
1. 根据请求, 计算每个电梯的分数, 排序, 得到次序表.
2. 向次序表的第一个电梯发送请求, 如果被拒绝, 则放弃此电梯, 并向下一个电梯发送请求.
3. 重复步骤2, 直到请求被某个电梯接受, 退出算法.
4. 如果请求被所有电梯拒绝, 则强制命令次序表的第一个电梯接受任务.
5. 退出算法.
随机分派
全部响应调度
1. 将任务分配给所有电梯.
2. 如果有电梯已经到达, 则向其他电梯取消请求.
  这种电梯适用于突发人流量大时. eg. 图书馆里的人大多聚集在9-11楼, 在闭馆时大量请求发生于9-11楼, 可以采用这种方式.

外部调度实现

见 building.cpp 83-135 行.

其他

内部调度算法需要优化
加入测试模式: 随机生成 1000 个人, 用于检测算法的性能.

界面演示：