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P124P23P33如果按照P1P2P3顺序到达，Gantt图如下：0242730P1P2P3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P1103P211P324P415P552画出Gantt图：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。P2P5P1P3P4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P124P23P33画出Gantt图：P1P2P3P1P1P1P1P1047101418222630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P16P28P37P43画出Gantt图：P4P1P3P20391624SJF平均等待时间：（0+3+9+16）÷4=7SJF平均周转时间：（3+9+16+24）÷4=13FCFS平均等待时间：（0+6+14+21）÷4=10.25FCFS平均周转时间：（6+14+21+24）÷4=16.25SJF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P108P214P329P435画出Gantt图：P1P2P4P1P3015101726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