OS课设之CPU调度算法的模拟实现.docx
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OS课设之CPU调度算法的模拟实现
CPU调度算法的模拟实现
一、设计目的
利用C++编写CPU调度算法,实现先来先服务调度算法FCFS、优先级调度算法PS、短作业优先调度算法SJF、时间片轮转调度算法RR的运行过程和实现的结果,针对模拟进程,利用编写的CPU调度算法对需要运行的进程进行调度。
进行算法评价,计算平均周转时间和平均等待时间。
二、设计要求
针对模拟进程,利用CPU调度算法进行调度,最后要进行算法评价,计算平均周转时间和平均等待时间,并且输出调度结果和输出算法评价指标。
调度所需的进程参数由输入产生(手工输入或者随机数产生)。
三、设计说明
CPU调度决策可在如下4种情况环境下发生:
(1)当一个进程从运行切换到等待状态(如:
I/O请求,或者调用wait等待一个子进程的终止)
(2)当一个进程从运行状态切换到就绪状态(如:
出现中断)
(3)当一个进程从等待状态切换到就绪状态(如:
I/O完成)
(4)当一个进程终止时
对于第1和4两种情况,没有选择而只有调度。
一个新进程(如果就绪队列中已有一个进程存在)必须被选择执行。
对于第2和第3两种情况,可以进行选择。
当调度只能发生在第1和4两种情况下时,称调度是非抢占的(nonpreemptive)或协作的(cooperative);否则,称调度方案为抢占的(preemptive)。
采用非抢占调度,一旦CPU分配给一个进程,那么该进程会一直使用CPU直到进程终止或切换到等待状态。
抢占调度对访问共享数据是有代价(如加锁)的,有可能产生错误,需要新的机制(如,同步)来协调对共享数据的访问。
抢占对于操作系统内核的设计也有影响。
在处理系统调用时,内核可能忙于进程活动。
这些活动可能涉及要改变重要内核数据(如I/O队列)。
因为根据定义中断能随时发生,而且不能总是被内核所忽视,所以受中断影响的代码段必须加以保护以避免同时访问。
操作系统需要在任何时候都能够接收中断,否则输入会丢失或输出会被改写。
为了这些代码段不被多个进程同时访问,在进入时就要禁止中断,而在退出时要重新允许中断。
调度准则
为了比较CPU调度算法所提出的准则:
CPU使用率:
需要使CPU尽可能忙
吞吐量:
指一个时间单元内所完成进程的数量
周转时间:
从进程提交到进程完成的时间段称为周转时间,周转时间是所有时间段之和,包括等待进入内存、在就绪队列中等待、在CPU上执行和I/O执行
平均周转时间:
即周转时间的算数平均值
等待时间:
在就绪队列中等待所花费时间之和
平均等待时间:
即等待时间的算数平均值
响应时间:
从提交请求到产生第一响应的时间。
需要使CPU使用率和吞吐量最大化,而使周转时间、等待时间和响应时间最小化。
绝大多数情况下需要优化平均值,有时需要优化最大值或最小值,而不是平均值
四、详细设计
4.1先到先服务调度(First-Come,First-Servedscheduling)
最简单的CPU调度算法是先到先服务算法(First-Come,First-Servedscheduling):
先请求CPU的进程先分配到CPU。
FCFS策略可以用FIFO队列来容易实现。
当一个进程进入就绪队列,其PCB链接到队列的尾部。
当CPU空闲时,CPU分配给位于队列头的进程,接着运行进程从队列中删除。
FCFS策略的代码编写简单且容易理解,不过采用FCFS策略的平均等待时间通常比较长。
当进程CPU区间时间变化很大,平均等待时间会变化很大。
算法原理:
假设有n个进程分别在T1,„,Tn时刻到达系统,它们需要的服务时间分别为S1,„,Sn。
分别采用先来先服务FCFS调度算法进行调度,计算每个进程的完成时间,周转时间和带权周转时间,并且统计n个进程的平均周转时间和平均带权周转时间。
程序要求如下:
1)进程个数n;每个进程的到达时间T1,„,Tn和服务时间S1,„,Sn。
2)要求采用先来先服务FCFS调度进程运行,计算每个进程的周转时间,带权周转时间,并且计算所有进程的平均周转时间,带权平均周转时间;
3)输出:
要求模拟整个调度过程,输出每个时刻的进程运行状态,如“时刻3:
进程B开始运行”等等;
4)输出:
要求输出计算出来的每个进程的周转时间,带权周转时间,所有进程的平均周转时间,带权平均周转时间。
实现简要过程:
1)变量初始化;
2)接收用户输入n,T1,„,Tn,S1,„,Sn;
3)按照选择算法进行进程调度,计算进程的完成时间、周转时间和带权周转时间;
4)按格式输出调度结果。
测试结果:
案例分析:
进程
区间时间
P1
24
P2
3
P3
3
如果按照P1P2P3顺序到达,Gantt图如下:
P1
P2
P3
0242730
平均等待时间:
(0+24+27)÷3=17
平均周转时间:
(24+27+30)÷3=27
如果按照P2P3P1顺序到达,
平均等待时间:
(0+3+6)÷3=3
平均周转时间:
(3+6+30)÷3=13
另外考虑在动态情况下的性能,假设有一个CPU约束进程和许多I/O约束进程,CPU约束进程会移回到就绪队列并被分配到CPU。
再次所有I/O进程会在就绪队列中等待CPU进程的完成。
由于所有其他进程都等待一个大进程释放CPU,这称之为护航效果(convoyeffect)。
与让较短进程最先执行相比,这样会导致CPU和设备使用率变的很低。
FCFS调度算法是非抢占的。
对于分时系统(每个用户需要定时的等待一定的CPU时间)是特别麻烦。
允许一个进程保持CPU时间过长是个严重错误。
4.2优先级调度(priorityschedulingalgorithm)
算法:
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地指定(也可以由随机数产生)。
进程的到达时间为进程输入的时间。
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来表示。
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,则撤消该进程,如果运行一个时间片后进程的已占用CPU时间还未达所需要的运行时间,也就是进程还需要继续运行,此时应将进程的优先数减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,直到所要进程都完成为止。
SJF算法可作为通用的优先级调度算法的一个特例。
每个进程都有一个优先级与其关联,具有最高优先级的进程会分配到CPU。
具有相同优先级的进程按FCFS顺序调度。
SJF,其优先级(p)为下一个CPU区间的倒数。
CPU区间越大,则优先级越小,反之亦然。
优先级通常是固定区间的数字,如0~7,但是数字大小与优先级的高低没有定论。
测试结果:
案例分析:
(假设数字越小优先级越高)
进程
区间时间
优先级
P1
10
3
P2
1
1
P3
2
4
P4
1
5
P5
5
2
画出Gantt图:
P2
P5
P1
P3
P4
016161819
平均等待时间:
(0+1+6+16+18)÷5=8.2
平均周转时间:
(1+6+16+18+19)÷5=12
优先级可通过内部或外部方式来定义。
内部定义优先级使用一些测量数据以计算进程优先级。
外部优先级是通过操作系统之外的准则来定义,如进程重要性等。
优先级调度可以是抢占的或非抢占的。
优先级调度算法的一个重要问题是无限阻塞(indefiniteblocking)或饥饿(starvation)。
可以运行但缺乏CPU的进程可认为是阻塞的,它在等待CPU。
优先级调度算法会使某个有低优先级无穷等待CPU。
低优先级进程务求等待问题的解决之一是老化(aging)。
老化是一种技术,以逐渐增加在系统中等待很长时间的进程的优先级。
4.3时间片轮转调度算法(round-robin,RR)
专门为分时系统设计。
它类似于FCFS调度,但是增加了抢占以切换进程。
定义一个较小的时间单元,称为时间片(timequantum,ortimeslice)。
将就绪队列作为循环队列。
CPU调度程序循环就绪队列,为每个进程分配不超过一个时间片段的CPU。
系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则排成一个队列,每次调度时,把CPU分配给队首进程,并令其执行一个时间片。
时间片的大小从几ms到几百ms。
当执行的时间片用完时,由一个计时器发出时钟中断请求,调度程序便据此信号来停止该进程的执行,并将它送往就绪队列的末尾;然后,再把处理机分配给就绪队列中新的队首进程,同时也让它执行一个时间片。
如果在时间片结束时进程还在运行,则CPU将被剥夺并分配给另一个进程。
如果进程在时间片结束前阻塞或结束,则CPU当即进行切换。
调度程序所要做的就是维护一张就绪进程列表,当进程用完它的时间片后,它被移到队列的末尾。
RR策略的平均等待时间通常较长
测试结果:
案例分析:
(使用4ms时间片)
进程
区间时间
P1
24
P2
3
P3
3
画出Gantt图:
P1
P2
P3
P1
P1
P1
P1
P1
047101418222630
平均等待时间:
[0+4+7+(10-4)]÷3=5.66
平均周转时间:
(7+10+30)÷3=15.67
如果就绪,那么每个进程会得到1n的CPU时间,其长度不超过q时间单元。
每个进程必须等待CPU时间不会超过(n−1)×q个时间单元,直到它的下一个时间片为止。
RR算法的性能很大程度上依赖于时间片的大小。
在极端情况下,如果时间片非常大,那么RR算法与FCFS算法一样。
如果时间片很小,那么RR算法称为处理器共享,n个进程对于用户都有它自己的处理器,速度为真正处理器速度的1/n。
小的时间片会增加上下文切换的次数,因此,希望时间片比上下文切换时间长,事实上,绝大多数现代操作系统,上下文切换的时间仅占时间片的一小部分。
周转时间也依赖于时间片的大小。
4.4最短作业优先调度(shortest-job-firstscheduling,SJF)
将每个进程与下一个CPU区间段相关联。
当CPU为空闲时,它会赋给具有最短CPU区间的进程。
如果两个进程具有同样长度,那么可以使用FCFS调度来处理。
注意,一个更为适当地表示是最短下一个CPU区间的算法,这是因为调度检查进程的下一个CPU区间的长度,而不是其总长度。
这种策略是下一次选择所需处理时间最短的进程。
是非抢占策略,目的也是为减少FCFS策略对长进程的偏向。
测试结果:
案例分析:
进程
区间时间
P1
6
P2
8
P3
7
P4
3
画出Gantt图:
P4
P1
P3
P2
0391624
SJF平均等待时间:
(0+3+9+16)÷4=7
SJF平均周转时间:
(3+9+16+24)÷4=13
FCFS平均等待时间:
(0+6+14+21)÷4=10.25
FCFS平均周转时间:
(6+14+21+24)÷4=16.25
SJF算法的平均等待时间最小。
SJF算法的真正困难是如何知道下一个CPU区间的长度。
对于批处理系统的长期(作业)调度,可以将用户提交作业时间所制定的进程时间极限作为长度。
SJF调度经常用于长期调度。
它不能在短期CPU调度层次上加以实现。
我们可以预测下一个CPU区间。
认为下一个CPU区间的长度与以前的相似。
因此通过计算下一个CPU区间长度的近似值,能选择具有最短预测CPU区间的进程来运行。
下一个CPU区间通常可预测为以前CPU去剪的测量长度的指数平均(exponentialaverage)。
4.5最短剩余时间优先调度(shortest-remaining-time-firstscheduling)
SJF算法可能是抢占的或非抢占的。
抢占SJF算法可抢占当前运行的进程,而非抢占的SJF算法会允许当前的进程先完成其CPU区间。
抢占SJF调度有时称为最短剩余时间优先调度。
这种策略下调度器总是选择预期剩余时间最短的进程。
是抢占策略。
测试结果:
案例分析:
进程
到达时间
区间时间
P1
0
8
P2
1
4
P3
2
9
P4
3
5
画出Gantt图:
P1
P2
P4
P1
P3
015101726
平均等待时间:
[0+0+(5-3)+(17-2)]÷4=6.5
平均周转时间:
[(17-0)+(5-1)+(26-2)+(10-3)]÷4=13
非抢占的SJF平均等待时间:
[0+(8-1)+(12-3)+(17-2)]÷4=7.75
源代码
//最短剩余时间优先算法的实现
#include
#include
#include
typedefstruct{
intremain_time;//进程剩余执行时间
intarrive_time;//进程到达时间
intTp;//进入就绪队列的时间
intTc;//进入执行队列的时间
intTo;//进程执行结束的时间
intnumber;//进程编号
}Process_Block;//定义进程模块
typedefstruct_Queue{
Process_BlockPB;
struct_Queue*next;
}_Block,*Process;//定义一个进程模块队列中结点
typedefstruct{
Processhead;//队列头指针
Processend;//队列尾指针
}Process_Queue;//进程队列
Process_QueuePQ;//定义一个全局队列变量
intt;//全局时间
ProcessRun_Now;//当前正在运行的进程,作为全局变量
voidInitQueue(Process_QueuePQ){
PQ.head->next=NULL;
PQ.end->next=PQ.head;
}/*初始化队列*/
intIsEmpty(Process_QueuePQ){
if(PQ.end->next==PQ.head)
return1;//队列空的条件为头指针指向尾指针并且尾指针指向头指针
else
return0;
}/*判定队列是否为空队列*/
voidEnQueue(Process_QueuePQ,ProcessP){
Processtemp=(Process)malloc(sizeof(_Block));
temp=PQ.end;
temp->next->next=P;
PQ.end->next=P;
}/*插入队列操作*/
ProcessDeQueue(Process_QueuePQ){
if(IsEmpty(PQ))
returnNULL;
Processtemp=PQ.head->next;
PQ.head->next=temp->next;
if(PQ.end->next==temp)
PQ.end->next=PQ.head;
returntemp;
}/*出列操作*/
ProcessShortestProcess(Process_QueuePQ){
if(IsEmpty(PQ)){//如果队列为空,返回
if(!
Run_Now)
returnNULL;
else
returnRun_Now;
}
Processtemp,shortest,prev;
intmin_time;
if(Run_Now){//如果当前有进程正在执行,
shortest=Run_Now;//那么最短进程初始化为当前正在执行的进程,
min_time=Run_Now->PB.remain_time;
}
else{//如果当前没有进程执行,
shortest=PQ.head->next;//则最短进程初始化为队列中第一个进程
min_time=PQ.head->next->PB.remain_time;
}
temp=PQ.head;
prev=temp;
while(temp->next){
if(temp->next->PB.remain_time shortest=temp->next;//则保存当前进程, min_time=shortest->PB.remain_time; prev=temp;//及其前驱 } temp=temp->next; } if(shortest==PQ.end->next)//如果最短剩余时间进程是队列中最后一个进程, PQ.end->next=prev;//则需要修改尾指针指向其前驱 prev->next=shortest->next;//修改指针将最短剩余时间进程插入到队头 returnshortest; }/*调度最短剩余时间的进程至队头*/ voidRun(){ Run_Now->PB.remain_time--;//某一时间运行它的剩余时间减 return; }/*运行函数*/ voidWait(){return;} intsum(intarray[],intn){ inti,sum=0; for(i=0;i sum+=array[i]; returnsum; } intmain(){ PQ.head=(Process)malloc(sizeof(_Block)); PQ.end=(Process)malloc(sizeof(_Block)); Run_Now=(Process)malloc(sizeof(_Block)); Run_Now=NULL; InitQueue(PQ); inti,N,Total_Time=0;//Total_Time为所有进程的执行时间之和 printf("请输入计算机中的进程数目: \n"); scanf("%d",&N); Process*P,temp; P=(Process*)malloc(N*sizeof(Process)); int*wt,*circle_t; wt=(int*)malloc(N*sizeof(int)); circle_t=(int*)malloc(N*sizeof(int)); for(i=0;i P[i]=(Process)malloc(sizeof(_Block)); P[i]->PB.number=i+1; P[i]->next=NULL; wt[i]=0; circle_t[i]=0; printf("输入第%d个进程的到达时间及剩余执行时间: \n",i+1); scanf("%d%d",&P[i]->PB.arrive_time,&P[i]->PB.remain_time); } for(i=0;i Total_Time+=P[i]->PB.remain_time; printf("\n进程按顺序运行依次为: \n"); i=0; intk=0; for(t=0;;t++){ if(Run_Now){//如果当前有进程正在执行 Run(); if(t==P[i]->PB.arrive_time){//如果当前时间正好有进程进入 if(P[i]->PB.remain_time temp=P[i]; P[i]=Run_Now; Run_Now=temp;//则调度它至运行队列中, Run_Now->PB.Tp=t; Run_Now->PB.Tc=t; wt[Run_Now->PB.number-1]+=Run_Now->PB.Tc-Run_Now->PB.Tp; printf("%d",Run_Now->PB.number); } EnQueue(PQ,P[i]);//并将当前运行进程重新插入队列中 P[i]->PB.Tp=t; k++; i=(i+1)>(N-1)? (N-1): (i+1); } if(Run_Now->PB.remain_time==0){//如果当前进程运行结束, Run_Now->PB.To=t;//进程运行结束的时间 circle_t[Run_Now->PB.number-1]+=t-Run_Now->PB.arrive_time; free(Run_Now);//则将它所占资源释放掉, Run_Now=NULL;//并修改Run_Now为NULL Run_Now=ShortestProcess(PQ)//从就绪队列中调出最短剩余时间进程至队头, if(! Run_Now){//如果队列为空,转为等待状态 if(IsEmpty(PQ)&&k>=N)break; Wait(); continue; }else{ Run_Now->PB.Tc=t; wt[Run_Now->PB.number-1]+=Run_Now->PB.Tc-Run_Now->PB.Tp; printf("%d",Run_Now->PB.number); } } }else{//如果当前运行进程为空
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