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

先到先服务调度(First-Come，First-Served scheduling)

最简单的CPU调度算法是先到先服务算法（First-Come，First-Served scheduling）：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：

0 24 27 30

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（convoy effect）。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。

优先级调度(priority scheduling algorithm)

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