操作系统：实验一：进程调度实验——最高优先数优先的调度算法
【实验题目】
实验一、进程调度实验
【实验目的】
用高级语言编写和调试一个进程调度程序，以加深对进程的概念及进程调度算法的理解．
【实验设备与软件】
实验运行环境: C语言编程环境
上机前的准备工作包括：
1.按实验指导书要求事先编好程序；
2.准备好需要输入的中间数据；
3.估计可能出现的问题；
4.预计可能得到的运行结果。
【实验原理】
一、基本概念
1、进程的概念；
2、进程的状态和进程控制块；
3、进程调度算法；
二、进程调度
1、进程的状态
2、进程的结构——PCB
进程都是由一系列操作(动作)所组成，通过这些操作来完成其任务。因此，不同的进程，其内部操作也不相同。在操作系统中，描述一个进程除了需要程序和私有数据之外，最主要的是需要一个与动态过程相联系的数据结构，该数据结构用来描述进程的外部特性(名字、状态等)以及与其它进程的联系(通信关系)等信息，该数据结构称为进程控制块(PCB，Process Control Block)。
进程控制块PCB与进程一一对应，PCB中记录了系统所需的全部信息、用于描述进程情况所需的全部信息和控制进程运行所需的全部信息。因此，系统可以通过进程的PCB来对进程进行管理。
【实验内容、方法、过程与分析】
1、 实验内容
设计一个有 N个进程共行的进程调度程序。
进程调度算法：采用最高优先数优先的调度算法（即把处理机分配给优先数最高的进程）和先来先服务算法。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。
调度算法的流程图如下 :
2、实验方法及过程
实验代码
#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
using namespace std;
#define getpch(type) (type *)malloc(sizeof(type))
int t=0;
struct pcb{ /* 定义进程控制块PCB */
char name[10]; //进程名
char state; //W/R/F
int super; //优先数
int ntime; //总运行时间
int rtime; //已耗时
struct pcb *link;
} *ready = NULL, *p;
typedef struct pcb PCB;
void sort(){ /* 建立对进程进行优先级排列函数*/
p->link=NULL;
if(ready==NULL)
ready=p;
else{
if(p->super>ready->super){
p->link=ready;
ready=p;
}
else{
PCB *f=ready;
while(1){
if(f->link==NULL){
f->link=p;
return;
}
else if(p->super > f->link->super){
PCB *s=f->link;
f->link=p;
p->link=s;
return;
}
f=f->link;
}
}
}
}
void input(){ /* 建立进程控制块函数*/
srand((unsigned)time(NULL));
int n;
string c;
cout<<"输入1随机优先级+运行时间（1-5），输入其他字符则自定义参数：";
cin>>c;
cout<<"请输入进程数目：";
cin>>n;
for(int i=0;i<n;i++){
p=getpch(PCB);
if(c=="1"){
cout<<"请输入进程名"<<i+1<<"：";
cin>>p->name;
p->ntime=rand()%4+1;
p->super=rand()%9+1;
}
else{
cout<<"请分别输入进程名、进程优先数、运行时间：";
cin>>p->name>>p->super>>p->ntime;
}
p->state='W';
p->rtime=0;
sort();
}
}
void disp(PCB *pr){ /*建立进程显示函数,用于显示当前进程*/
cout<<"进程名："<<pr->name<<" ";
cout<<"进程状态："<<pr->state<<" ";
cout<<"进程优先数："<<pr->super<<" ";
cout<<"进程总运行时间："<<pr->ntime<<" ";
cout<<"进程已经耗时："<<pr->rtime<<endl;
}
void check(){ /* 建立进程查看函数 */
cout<<"-------------------"<<" 正在运行中的进程 "<<"------------------------------"<<endl;
disp(p);
cout<<"-------------------"<<" 就绪队列中的进程 "<<"------------------------------"<<endl;
PCB *pr=ready;
while(pr!=NULL){
disp(pr);
pr=pr->link;
}
}
void destroy(){ /*建立进程撤消函数(进程运行结束,撤消进程)*/
cout<<"进程"<<p->name<<"运行完成，耗时"<<p->ntime<<"个CPU时间片"<<endl;
free(p);
p=NULL;
}
void running(){ /* 建立进程就绪函数(进程运行时间到,置就绪状态*/
p=ready;
ready=ready->link;
t++;
cout<<endl<<"这是第"<<t<<"个CPU时间片"<<endl;
p->state='R';
check();
p->rtime++;
if(p->ntime==p->rtime)
destroy();
else{
p->super-=1;
p->state='W';
sort();
}
if(p==NULL && ready==NULL)
cout<<"全部完成，共耗时"<<t<<"个CPU时间片"<<endl;
}
int main(){ /*主函数*/
input();
while(p!=NULL || ready!=NULL)
running();
return 0;
}
实验代码解释：
利用给出源码框架(各函数名称和进程结构体)进行补全。通过观察可以知道，首先需要读入进程数据，并将进程数据串成一个链表，也就是就绪队列(假设初始读入进程都为就绪状态)。读入和排序方法很多，此处我使用到了插入排序，在input()函数里面定义好读入格式以及交互提示，进程运行总时间直接给随机数(1-5),而进程优先数可以自定义或者随机(1-10)，如下：
随机数种子给的当前时间戳避免每次运行的随机数都一样srand((unsigned)time(NULL))
每次读入都将当前节点(进程)地址赋值给全局变量p，然后将ready作为就绪队列头节点。接着每次读入一个都要执行一次sort(),因为此处采用的是插入排序，每次根据优先数寻找合适位置插入队列。如下所示，上述代码的插入排序sort()流程图:
也就是边输入边插入，当input()函数执行完毕即得到了一个ready为头结点，存储结构为链表的就绪队列。
接着按照题目给出流程图做就行了，难度不大。从流程图可以看出有一个循环，也就是一个循环相当于过去了一个CPU时间片。关于循环，直接使用while()，而结束循环的条件就是：就绪队列以及运行进程都为空，即while(p!=NULL || ready!=NULL)。P就相当于正在运行的进程。
每次进入running()就将ready队列的头结点移动到p，也就是优先数最大的进程进入运行状态，并将此进程移出队列。若时间片到(进入running就直接相当于过去了一个CPU时间片，即时间片到)，该队列状态回到’W’，已耗时增加1,然后重新将p插入就绪队列。若进程运行完毕(总需要时间=已耗费时间)，则调用destroy()释放PCB。
destroy()负责PCB的释放，也就是将即将退出运行状态的进程释放，即p,并将p指针置空。
2、 实验结果分析
实验结果截图：
【实验总结】
排序中的p->link=NULL十分重要，这是本人遇到bug经过调试才发现的。不在此处初始化link而是input()里面初始化p->link会在后面调度时，容易造成链表最后一个节点的link不为NULL，也就是变成了循环链表，导致check()函数死循环的出现。
实验可以加强理论知识的记忆和理解，做实验一定要动手撸代码。此整体难度不大，但是对于PCB的理解和记忆确实有了加强。