操作系统进程调度子系统的设计与实现操作系统课程设计报告.docx
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操作系统进程调度子系统的设计与实现操作系统课程设计报告.docx
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操作系统进程调度子系统的设计与实现操作系统课程设计报告
本科学生课程设计任务书
课程设计题目
操作系统进程调度子系统的设计与实现
学院
计算机学院
专业
网络工程
年级
2008
已知参数和设计要求:
设计要求:
通过编程实现操作系统进程调度子系统的基本功能,其中,必须实现的调度算法有:
先来先服务、时间片轮转、多级反馈轮转法、优先级等,在程序设计过程中,要求要有良好清晰的界面来观测进程调度的执行过程,在每个调度算法展示时,可以看到所有有关的队列结构和其中的内容,如就绪队列、阻塞队列等结构的动态变化的过程。
需要的环境:
主要开发平台基于windows平台。
使用Java、C、C++作为主要编码工具(其它开发工具也可选)。
学生应完成的工作:
(1)完成课程设计的编码和测试。
(编码需要实现所提要求的基本功能)
(2)上交课程设计报告(按照标准格式书写)
课程设计的任务分配:
黄进:
实现时间片轮转,多级反馈轮转,程序的可视化,程序调试,写报告
王博君:
实现先来先服务,优先级算法(抢占式,非抢占式),程序的调试和检查,写报告
目前资料收集情况(含指定参考资料):
[1]计算机操作系统教程张尧学,史美林编著清华大学出版社2006第3版
[2]Windows操作系统原理(重点大学计算机教材)
尤晋元、史美林、陈向群等人编著清华大学出版社2001年8月第1版
[3]计算机操作系统实验指导,郁红英,李春强,清华大学出版色,2008年9月第一版
课程设计的工作计划:
序号
课程设计工作进度
起止日期
1
课程设计任务书下发
2010.12.6
2
文献查阅和资料准备
2010.12.6-2010.12.20
3
课程设计编码的设计
2011.1.5-2011.1.6
4
编码测试和设计验收
2011.1.7
任务下达日期2010年12月6日
完成日期2011年1月7日
指导教师(签名)
学生(签名)
正文目录
摘要及关键词5
1设计目的及内容6
2设计方案6
3程序功能模块设计6
4程序总控流程图8
5数据结构设计8
6程序主要代码及解析.........................10
7测试数据及测试结果14
7.1主程序界面14
7.2进程生成后界面15
7.3开始模拟进程15
8设计过程中遇到的问题及解决方法17
9设计总结17
10参考文献............................................18
摘要
现代计算机系统中,进程是资源分配和独立运行的基本单位,是操作系统的核心概念。
因而,进程就成为理解操作系统如何实现系统管理的最基本,也是最重要的概念。
进程调度是进程管理过程的主要组成部分,是必然要发生的事件。
在现代操作系统中,进程的并发机制在绝大多数时候,会产生不断变化的进程就绪队列和阻塞队列。
处于执行态的进程无论是正常或非正常终止、或转换为阻塞状态,都会引发从就绪队列中,由进程调度选择一个进程进占CPU。
进程调度的核心是进程调度算法.
在本课程设计中,用良好清晰的界面向用户展示了进程调度中的先来先服务算法,优先级(抢占式与非抢占式),时间片轮转法和多级反馈轮转法。
在最终实现的成果中,用户可指定需要模拟的进程数,CPU时间片和进程的最大执行时间,并且选择需要演示的算法,界面将会动态的显示进程调度过程及各个队列的变化。
同时,为了更加清晰直观的演示各个算法及各关键变量的变化,我们时时更新时间片,算法名称,当前进程信息,全局计时器以及进度条等。
通过此进程调度模拟系统,用户可以对上述的四种算法有进一步以及直观的了解。
关键词:
进程调度先来先服务优先级法时间片轮转多级反馈轮转
一.设计目的及内容
1.1设计目的
课程设计是学习完“操作系统原理”课程后进行的一次全面的综合训练,通过课程设计,更好地掌握操作系统的原理及实现方法,加深对操作系统基础理论和重要算法的理解,掌握进程调度的原理和方法,加强学生的动手能力。
1.2设计内容
通过编程实现操作系统进程调度子系统的基本功能,其中,必须实现的调度算法有:
先来先服务、时间片轮转、多级反馈轮转法、优先级等,在程序设计过程中,要求要有良好清晰的界面来观测进程调度的执行过程,在每个调度算法展示时,可以看到所有有关的队列结构和其中的内容,如就绪队列、阻塞队列等结构的动态变化的过程。
二.设计方案
本次课程设计主要开发平台基于windows,我们使用C++并选择VS2010作为开发工具实现进程调度模拟的可视化,以本学期的四次实验作为可视化编程基础,深入学习VS2010的各种控件,使界面更加完善,实现先来先服务、时间片轮转、多级反馈轮转法、优先级(抢占式与非抢占式)这5个算法的可视化模拟调度,并在应用程序的结果分析中统计出5个算法的模拟时间,以比较各个算法的执行效率。
三.程序功能模块设计
图形界面:
采用visualstudio2010软件,实现的界面如下:
图1开始界面
应用程序共有四个主菜单:
参数设置,调度算法,结果分析,使用说明。
·参数设置:
点击弹出供用户设置模拟参数的新窗口
图2参数设置界面
·调度算法
先来先服务:
在就绪进程的队列中,从第一个开始执行下去,且进程开始执行后会一直执行完毕。
时间片轮转法:
当正在执行的进程一个时间片用完后,按照先来先服务的原则在就绪进程队列中选取进程执行,正在执行的进程进入队尾。
多级反馈轮转:
设置多个轮转队列,当一个进程在该队列时间片用完后,跳到下一个队列,继续执行。
每个队列的时间片可以不同。
优先级算法:
非抢占式:
在就绪进程队列中选取优先级最高的执行,相同优先级按照先来先服务原则进行选取,进程开始后不可被抢占。
抢占式:
在就绪进程队列中选取优先级最高的执行,相同优先级按照先来先服务原则进行选取,进程开始后可被抢占。
·结果分析
根据每个算法的运行情况,统计结果,进行比较分析,便于分析调度算法的效率。
四.程序总控流程图
五.数据结构设计
5.1进程信息的数据结构
classprocess
{
protected:
intname;//进程名,标识进程的ID
intspendtime;//进程已经执行的时间
intcosttime;//进程占用时间片的时间
intneedtime;//进程需要的总时间
intstarttime;//进程进入的时间
intpriority;//进程的优先级
};
5.2各个队列的数据结构
classmyqueue
{
protected:
queue
intdotime;//时间片大小
intflag;//队列执行标识
public:
intgetdotime();//取出时间片大小
voidsetdotime(intdotimeq);//设置时间片大小
voidpop();//弹出队列中的进程
process&gethead();//得到队首进程
voidpush(processmpp);
voidpass(myqueue&mqq);//队列之间的传递函数
intgetflag();
voidsetflag(intfflag);
intisempty();//判断当前队列是否为空
intgetsize();//得到当前队列的大小,即:
包含的进程数
};
5.3主程序数据结构
主要操作类:
classdojob
{
public:
dojob(intdotime,intmax,intbig,intmaxshow);//构造函数
voidcreateprocess(intmax,intbig,intmaxshow);//创建进程进程
voidfun1();//先来先服务算法函数
voidfun2();//时间片轮转算法函数
voidfun3()//多级反馈轮转算法函数
voidfun4(intnowtime);//非抢占式优先级函数
voidfun5(intnowtime);////抢占式优先级函数
voiddoprocess3(myqueue&qqnow,myqueue&qqnext,myqueue&qqfinish);
//多级反馈轮转的处理函数
voiddoprocess2(myqueue&qqfinish)//时间片轮转的处理函数
voidFIFO(myqueue&qnow);//先来先服务的处理函数
voidpriority_do_another(intnowtime);//非抢占式优先级的处理函数
voidpriority_do(intnowtime);//抢占式优先级的处理函数
};
六.程序主要代码及解析
6.1各种调度算法的实现函数
(因篇幅有限,更多代码请参见程序源代码,此处不一一列举)
voiddojob:
:
FIFO(myqueue&qnow)//先来先服务函数
{
if(qnow.gethead().getneedtime()==0)
//如果进程所需时间等于该进程所需总时间,则转入完成队列
{
qnow.pass(finishq);
}
else
{qnow.gethead().setneedtime(qnow.gethead().getneedtime()-1);
qnow.gethead().setspendtime(qnow.gethead().getspendtime()+1);
}
}
voiddojob:
:
doprocess2(myqueue&qqfinish)//时间片轮转函数
{
if(!
q1.isempty())
{
if(q1.gethead().getneedtime()==0)//判断进程的剩余需要时间为0,
{
q1.pass(qqfinish);
return;
}
else
{
if(q1.gethead().getcosttime()>=q1.getdotime())
{//若进程在队列中的执行时间超过时间片,则进入等待队列
q1.gethead().setcosttime(0);
q1.push(q1.gethead());
q1.pop();
return;
}
else
{//进程执行
q1.gethead().setneedtime(q1.gethead().getneedtime()-1);
q1.gethead().setspendtime(q1.gethead().getspendtime()+1);
q1.gethead().setcosttime(q1.gethead().getcosttime()+1);
}
}
}
return;
}
voiddojob:
:
priority_do(intnowtime)//抢占式优先级函数
{
inttemp=-1;
if(!
IsVEmpty(vp))
{
for(inti=0;i //使temp的初值为v容器中第一个还未执行的进程 { if(vp[i].finishornot==false) { temp=i; break; } } } if(temp! =-1) //如果temp不为-1,说明还有未执行完的进程,则选出优先级最高的执行 { for(inti=0;i //通过此循环找到优先级最高且满足到达时间的进程 {if(vp[i].finishornot==false&&vp[i].getpriority()>vp[temp].getpriority()&&vp[i].getstarttime()<=nowtime) { temp=i; } } if(vp[temp].getneedtime()==0) { vp[temp].finishornot=true;//标明该进程已经执行完 finishq.push(vp[temp]);//将完成进程放至finishq } else { vp[temp].setspendtime(vp[temp].getspendtime()+1); vp[temp].setneedtime(vp[temp].getneedtime()-1); pNOW=temp; } } } 6.2程序可视化实现中的主窗体函数 publicrefclassForm1: publicSystem: : Windows: : Forms: : Form//Form1 { public: form2data_form; formresultresult_form; forminforinformation_form intflag; Form1(void)//Form1的构造函数 { InitializeComponent(); nowtime=0; timer1->Interval=1000; } Protected: //Form1的析构数 ~Form1() { if(components) { deletecomponents; } }//添加的主要组件声明 private: System: : Windows: : Forms: : Button^start; protected: private: System: : Windows: : Forms: : Button^stop; private: System: : Windows: : Forms: : Button^go_on; private: System: : Windows: : Forms: : Button^exit; private: System: : Windows: : Forms: : MenuStrip^menuStrip1; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripMenuItem^参数设置ToolStripMenuItem; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripMenuItem^调度算法ToolStripMenuItem; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripMenuItem^先来先服务ToolStripMenuItem; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripMenuItem^时间片ToolStripMenuItem; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripMenuItem^多级反馈轮转ToolStripMenuItem; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripMenuItem^优先级ToolStripMenuItem; private: System: : Windows: : Forms: : StatusStrip^statusStrip1; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripStatusLabel^toolStripStatusLabel1; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripStatusLabel^toolStripStatusLabel2; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripStatusLabel^toolStripStatusLabel3; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripProgressBar^toolStripProgressBar1; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripStatusLabel^toolStripStatusLabel4; private: System: : Windows: : Forms: : ToolStripMenuItem^使用说明ToolStripMenuItem1; private: System: : Windows: : Forms: : TextBox^queue_1; private: System: : Windows: : Forms: : TextBox^queue_2; private: System: : Windows: : Forms: : TextBox^queue_3; private: System: : Windows: : Forms: : Label^label7; private: System: : Windows: : Forms: : Label^label8; private: System: : Windows: : Forms: : Timer^timer1; 七.测试数据及测试结果 7.1主程序界面 图3主界面图 弹出参数设置后的主界面,包括参数设置,调度算法,使用说明,结果分析四个主菜单。 7.2进程生成后界面 图4进程生成后界面(以时间片轮转为例) (图中红色标记处为整个程序中时时变化的部分,在此标识使说明更直观) 可读出的信息如下表: 进程名 已执行时间 总需 时间 执行 进度 时间片 已完成队列 就绪 队列 1 3秒 6秒 50% 1秒 2,4 1,3,7,6,5,8 7.3开始模拟进程 由于时间片轮转上面已作为例子进行说明,概不赘述,只贴出其余算法的模拟进程,如下所示。 图5先来先服务的模拟截图 图6多级反馈轮转的模拟截图 图7优先级(以抢占式为例)的模拟截图 图8结果分析: 各种算法总周转时间比较 八.设计中遇到的问题及解决方法 8.1算法切换时的参数初始化问题 因为该程序要实现进程调度中几种主要算法的调度演示,并且进行比较。 那么就需要在一组进程上,调用不同的算法,并比较结果。 但是,当从一个算法转换到另一个算法时,涉及到一些关键变量的初始化问题,由于此次课程设计,是我们两个同学一起完成,在实现不同的代码时,用到一些各自的关键变量,这为程序的统一初始化带来了很大问题。 在重新带代码检查多次后,找出这些关键变量,异种求同,并各自根据需要重新设置这些变量,调整算法的实现方法,最终,做到了几种算法的切换而不需要重启程序,也使得最后的结果分析有了其实际的分析价值。 8.2优先级调度算法是用和其他算法不同的数据结构带来的问题 由于优先级调度需选出优先级最高的进程来执行,而其余算法采用的队列的数据结构,无法遍历各个进程,就无法选出优先级最高的进程。 这使得优先级算法要是用和其他三种算法不同的数据结构vector。 但这位程序的可视化,统一显示带来的问题。 因为传参时,数据类型有了变化。 为了解决这一问题,新创建一个数据结构vector 同时将vp中的标识变量和队列一一对应,将vector类型中所包含的特俗信息用标识变量传入队列。 九.设计总结 ◆所用方法及知识 此次课程设计我们选择任务三——实现操作系统进程调度的模拟,并且实现动态可视化。 在本学期,我们从第一个实验开始,就涉及到了可视化编程,平时的实验为我们这次课程设计打下了坚实的基础。 我们采用我们较为熟悉的visualstudio2010进行用C++进行编程。 在这次课程设计的过程中,我们用到了很多以前学过的知识,比如说数据结构中的队列知识,C++里学到的编程方法及理念,主要包括创建新类,类的保护,容器vector等。 ◆我们的创新 这次,我们所完成的应用程序能很好的完成所规定的先来先服务、时间片轮转、多级反馈轮转、优先级(抢占式与非抢占式)算法,并且我们的创新之处在于: ·实现了初始化,并且可以保存下第一次随机产生的代码序列,每个算法用同一个进程序列模拟,使模拟结果更加可比性。 ·具有结果统计功能,每次模拟完,都将结果写入,点击结果统计菜单,就可查看模拟结果信息。 ◆获得的进步 同时,我们也感受到了好的编程习惯在程序开发中的重要性。 合作完成的东西必须具有很好的相容性,采用的数据结构和类等必须相同,所以我们在动手编程前,花了很多时间交流,初步完全构建好界面,商量好要实现的功能,确定完所需数据结构才着手正式编程。 这样的步骤,是我们省下了很多将两人代码想结合时出现的错误修改时间,锻炼了我们的小组配合能力,我们的收获很大。 十.参考文献 [1]计算机操作系统教程张尧学,史美林编著清华大学出版社2006第3版 [2]Windows操作系统原理(重点大学计算机教材)尤晋元、史美林、陈向群等人编著清华大学出版社2001年8月第1版 [3]计算机操作系统实验指导,郁红英,李春强,清华大学出版社,2008年9月第一版
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- 操作系统 进程 调度 子系统 设计 实现 课程设计 报告