操作系统课程设计：模拟进程调度

2024年末《操作系统》课程设计大作业 模拟进程调度

对 N 个进程应用模拟五种不同的进程调度算法，包括先来先服务（FCFS）、短进程优先（SJF）、时间片轮转（RR）、高响应比优先（HRRN）、动态优先级调度（PR）。

每个进程通过进程控制块（PCB）来标识，PCB 的结构包含以下字段：(a) 进程标识数 ID；(b) 进程到达时间ARRIVETIME；(c) 进程优先级 PRIORITY；(d) 进程运行总时间 ALLTIME；(e) 进程已运行时间 CPUTIME；(f) 进程等待时间 Wait_Time；(g) 进程响应比 Res_Ratio；(h) 进程状态STATE。在动态优先级调度算法中，优先数的调整规则为：进程在就绪队列中每等待一个时间片，优先数增加 1；每运行一个时间片，优先数减少 3。为了观察进程的调度过程，程序需要显示每个时间片内各进程的状态，包括正在运行的进程、在就绪队列中的进程以及在阻塞队列中的进程，以反映进程的就绪态、执行态和阻塞态。

源代码github链接：
https://github.com/yaqli-1024/process-scheduling-algorithm

一、数据结构设计

1、进程控制块（PCB）结构体

PCB 结构体是这段代码的核心数据结构，用于存储进程的相关信息：

（1）ProcessId：进程的唯一标识符。

（2）ARRIVETIME：进程到达系统的时间。

（3）PRIORITY：进程的优先级，数值越大表示优先级越高。

（4）ALLTIME：进程需要的总 CPU 时间。

（5）CPUTIME：进程已经占用的 CPU 时间。

（6）Wait_Time：进程在就绪队列中等待的时间。

（7）Res_Ratio：进程的响应比，用于高响应比优先调度算法。

（8）STATE：进程的当前状态（就绪态、运行态、阻塞态）。

PCB 结构体还包含两个构造函数：一个默认构造函数将所有成员变量初始化为 0，另一个带参数的构造函数允许初始化特定的成员变量。

2、排序函数

提供了多个排序函数，用于不同的进程调度算法：

（1）SortPCB_ARRIVETIME：按进程到达时间排序，用于先来先服务（FCFS）算法。

（2）SortPCB_ALLTIME：按进程所需 CPU 时间排序，用于短进程优先（SJF）算法。

（3）SortPCB_PRIORITY：按进程优先级排序，用于动态优先级调度（PR）算法，如果优先级相同，则按到达时间排序。

（4）SortPCB_Res_Ratio：按进程响应比排序，用于高响应比优先（HRRN）算法。

3、链表节点（Node）结构体

Node 结构体用于构建链表，每个节点包含一个 PCB 数据和一个指向下一个节点的指针pNext。它有两个构造函数：一个默认构造函数和一个带参数的构造函数。

4、链表（NodeList）类

NodeList 类用于管理进程控制块的链表，包含以下功能：

（1）构造函数：初始化链表。

（2）拷贝构造函数：复制链表。

（3）析构函数：销毁链表，释放内存。

（4）isEmpty：检查链表是否为空。

（5）getLength：获取链表长度。

（6）get_X_PCB：获取链表中特定位置的 PCB。

（7）get_X_Node：获取链表中特定位置的 Node。

（8）Print：打印链表中的所有 PCB 数据。

（9）InsertData：在链表中插入数据，可选择是否重新排序。

（10）Delete_X_PCB：删除链表中特定位置的 PCB。

（11）SortList：根据设置的比较函数对链表进行排序。

（12）ComparePCB：设置用于排序的比较函数。

（13）getHeadNode：获取链表的头节点。

二、算法设计

使用自然语言对算法进行描述

1、先来先服务算法（FCFS）

（1）算法首先检查传入的进程链表是否为空。如果不为空，按照进程的到达时间对链表进行排序。

（2）在 realize 方法中，初始化当前时间为 0。

（3）在一个循环中处理队列中的每个进程。首先执行队列中的第一个进程。

（4）对于每个进程，如果它的到达时间大于当前时间，算法会等待直到该进程到达。

（5）一旦进程到达，将其状态设置为执行态。

（6）从就绪队列中删除该进程。

（7）执行该进程直到完成，并更新当前时间。

（8）在每个时间片内输出当前执行的进程和就绪队列的状态。

（9）完成进程执行后，输出已完成的进程信息。

（10）挑选出当前就绪队列中第一个进程并执行，跳转至第 4 步。

（11）如果链表为空，则输出提示信息并结束。

2、短进程优先算法（SJF）

（1）首先检查传入的进程链表是否为空。如果不为空，按照进程的到达时间（ARRIVETIME）对链表进行排序。

（2）在 realize 方法中，初始化当前时间为 0。创建一个空的就绪队列 ready_List，用于存储在当前时间内到达但尚未执行的进程。从进程链表中提取第一个进程 p，并按照到达时间进行调度。

（3）进入主循环：在一个循环中，处理链表中的每个进程，直到主链表和就绪队列均为空。

（4）如果当前时间 now 小于第一个进程的到达时间 p.ARRIVETIME：系统进入空闲状态，输出“当前无进程执行”的状态，同时打印当前时间片内的就绪队列状态（可能为空）。将当前时间now 更新为第一个进程的到达时间 p.ARRIVETIME。

（5）执行当前进程：将当前进程 p 的状态设置为“执行态”（STATE = 1），并开始运行该进程。在执行时间段内，记录每个时间片的状态。

（6）更新就绪队列：遍历主链表，将到达时间在 [ARRIVETIME, ARRIVETIME + ALLTIME]范围内的新进程加入就绪队列。确保只将不在就绪队列中的进程加入，避免重复。将这些进程按照执行时间进行排序。

（7）当前进程完成后，从主链表中删除已完成的进程 p，并输出完成信息。将当前时间 now更新为 now + p.ALLTIME。

（8）如果就绪队列非空，选择执行时间最短的进程作为下一个调度对象。当主链表和就绪队列均为空时，调度循环结束，算法执行完毕。

3、时间片轮转调度算法（RR）

（1）初始化：创建 RR 类实例时，算法首先检查传入的进程链表是否为空。如果不为空，根据进程到达时间（ARRIVETIME）对链表进行排序，并调用 SortList 函数完成初始化。

（2）创建一个空的就绪队列 ready_List，用于存储当前时间之前到达且尚未完成的进程。就绪队列中的进程按照到达时间排序。

（3）进入主循环：主循环依次处理所有未完成的进程，直到主链表和就绪队列均为空。

（4）遍历主链表，将到达时间小于或等于当前时间 now 的进程加入就绪队列，并从主链表中删除这些进程。将被添加的进程状态设置为“就绪态”（STATE = 0）。

（5）处理空闲时间：如果就绪队列为空，检查主链表中是否还有未到达的进程。如果存在未到达的进程，则跳到下一个进程的到达时间，并记录期间的系统空闲状态。

（6）从就绪队列中取出第一个进程，设置其状态为“执行态”（STATE = 1）。执行当前进程一个时间片（长度为 1）。记录当前时间片的状态，增加当前时间 now 并更新进程的已执行时间 CPUTIME。

（7）检查进程是否完成：如果当前进程的已执行时间 CPUTIME 小于总需执行时间ALLTIME，则将其状态设置为“就绪态”（STATE = 0），并将其重新加入到就绪队列末尾。如果当前进程已完成，则输出该进程的完成信息，不再将其放回就绪队列。

（8）继续处理下一时间片。如果就绪队列不为空，则从中取出下一个进程，重复步骤 6 和7。如果就绪队列为空，但主链表中仍有未到达的进程，则跳到下一个到达的进程时间，重复步骤 4 和 5。

（9）当主链表和就绪队列均为空时，调度循环结束，算法执行完毕。

4、高响应比优先算法（HRRN）

（1）初始化：构造一个进程列表（list），其中的进程按照到达时间 (ARRIVETIME) 进行排序。设置一个空的就绪队列（ready_List），以便在调度时存放待执行的进程。就绪队列的排序依据为进程的响应比 (Res_Ratio)，高响应比优先。

（2）检查进程列表是否为空。若非空，获取进程列表中第一个到达的进程，将其状态设置为“执行态”（STATE=1），并记录当前时间为 now。

（3）检查是否有进程在当前执行进程的执行时间范围内到达（即 ARRIVETIME 在 [now, now + ALLTIME] 内）。将符合条件且未在就绪队列中的进程加入到就绪队列。如果当前时间未达到下一个进程的到达时间，系统会等待。此时，输出每个空闲时间片的状态。

（4）执行当前进程，更新当前时间 now 和进程的完成状态。输出每个执行时间片的状态。

（5）执行完成的进程将从队列中移除。对就绪队列中的每个进程，计算其等待时间(Wait_Time) 和响应比 (Res_Ratio)。响应比计算公式为：响应比 = (等待时间 + 要求服务时间) / 要求服务时间。按照响应比对就绪队列进行排序。

（6）从就绪队列中选取响应比最高的进程进行执行，设置为“执行态”（STATE=1）。如果就绪队列为空，则从 list 中提取下一个到达的进程进行调度。

（7）当 list 和 ready_List 均为空时，算法结束。

5、动态优先级调度算法（PR）

（1）初始化：所有进程根据到达时间（ARRIVETIME）排序，并存储在一个主队列中，称为 list。同时，定义一个初始为空的就绪队列 ready_List，按照优先级进行排序，用于存放已到达但尚未执行的进程。每个进程的初始优先级被设为 50，时间片大小固定为 1。

（2）从 ready_List 中取出优先级最高的进程进行执行（根据当前优先级排序，优先级越高值越大）。当前进程的状态设置为“执行态”（STATE=1），并执行一个时间片或直到其完成所需的剩余时间（取两者的最小值）。

（3）更新优先级：当前执行的进程优先级每执行一个时间片减少 3。所有其他就绪队列中的进程优先级每经过一个时间片增加 1。

（4）如果当前执行进程的 CPU 时间达到总执行时间（ALLTIME），则标记为完成，并从调度中移除。否则，将其重新加入就绪队列末尾，状态标记为“就绪态”（STATE=0）。

（5）每次时间片结束后，重新根据优先级对就绪队列进行排序，确保优先级最高的进程在下次时间片优先执行。

（6）在就绪队列中挑选出优先级最高的进程执行，重复 2——6 步。

（7）当主队列 list 和就绪队列 ready_List 均为空时，说明所有进程均已完成执行，算法结束。

6、系统测试代码（main）

通过输入数字来选择一种进程调度算法，运行并查看结果。

三、运行结果展示

1、先来先服务算法（FCFS）

2、短进程优先算法（SJF）

3、时间片轮转调度算法（RR）

4、高响应比优先算法（HRRN）

5、动态优先级调度算法（PR）