一、实验目的
1、了解操作系统CPU管理的主要内容。
2、加深理解操作系统管理控制进程的数据结构--PCB。
3、掌握几种常见的CPU调度算法(FCFS、SJF、HRRF、RR)的基本思想和实现过程。
4、用C语言模拟实现CPU调度算法。
5、掌握CPU调度算法性能评价指标的计算方法。
6、通过对进程调度算法的模拟加深对进程概念和进程调度算法的理解。
二 、实验内容
1、用C语言编写程序,模拟单处理器下先来先服务算法FCFS,要求显示各进程的到达时间、服务时间、完成时间,周转时间以及该算法的平均周转时间和平均带权周转时间。运行以下参考程序,给出结果截图并分析该算法的优缺点。(3分)
参考程序:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct PCB //先来先服务FCFS
{
char name10; //进程名
float arrivetime; //到达时间
float servetime; //服务时间
float finishtime; //完成时间
float roundtime; //周转时间
float daiquantime; //带权周转时间
};
struct PCB a50;//定义进程数组
struct PCB *sortarrivetime(struct PCB a\[\], int n);//声明到达时间冒泡排序函数
void FCFS(struct PCB a\[\],int n,float *t1,float *t2);//先来先服务算法
//按到达时间进行冒泡排序
struct PCB *sortarrivetime(struct PCB a\[\], int n){
int i, j;
struct PCB t;
int flag; //标志变量,记录在每一趟冒泡中是否有元素交换,没有交换则结束冒泡
for (i = 1; i<n; i++) //外层循环控制比较趟数
{
flag = 0; //初始值设置为0
for (j = 0; j<n - i; j++) //内存循环控制每一趟的比较次数
{
if (aj.arrivetime>aj + 1.arrivetime) //将到达时间短的交换到前边
{
t = aj;
aj = aj + 1;
aj + 1 = t;
flag = 1; //有交换,flag置1
}
}
if (flag == 0)//如果一趟排序中没发生任何交换,则排序结束
{
break;
}
}
return a; //返回排序后进程数组
}
//先来先服务算法
void FCFS(struct PCB a\[\],int n,float *t1,float *t2)
{
int i;
a0.finishtime = a0.arrivetime + a0.servetime; //完成时间=到达时间+服务时间
a0.roundtime = a0.finishtime - a0.arrivetime; //周转时间=完成时间-到达时间
a0.daiquantime = a0.roundtime / a0.servetime; //带权时间=周转时间/服务时间
for (i = 1; i<n; i++)
{
if (ai.arrivetime<ai-1.finishtime)//当前到达时间在上一个作业结束时间之前
{
ai.finishtime = ai-1.finishtime + ai.servetime;//完成时间=上一个完成时间+服务时间
ai.roundtime = ai.finishtime - ai.arrivetime; //周转时间=完成时间-到达时间
ai.daiquantime = ai.roundtime / ai.servetime; //带权时间=周转时间/服务时间
}
else //当前到达时间在上一个作业结束时间之后
{
ai.finishtime = ai.arrivetime + ai.servetime;//完成时间=到达时间+服务时间
ai.roundtime = ai.finishtime - ai.arrivetime; //周转时间=完成时间-到达时间
ai.daiquantime = ai.roundtime / ai.servetime;//带权时间=周转时间/服务时间
}
}
printf("=============================================================\n");
printf("进程相关信息如下:\n\n");
printf("进程名 ");
printf("到达时间 ");
printf("服务时间 ");
printf("完成时间 ");
printf("周转时间 ");
printf("带权周转时间\n");
for (i = 0;i<n;i++)
{
printf("%-10s",ai.name);
printf("%-10.0f",ai.arrivetime);
printf("%-10.0f",ai.servetime);
printf("%-10.0f",ai.finishtime);
printf("%-10.0f",ai.roundtime);
printf("%10.2f\n",ai.daiquantime);
*t1 += ai.roundtime;
*t2 += ai.daiquantime;
}
}
int main()
{
float t1 ; //总周转时间
float t2 ; //总带权周转时间
float avr_t1 ; //平均周转时间
float avr_t2 ; //平均带权周转时间
int n, i;
char select = ' '; //选择算法变量标识
while (select != '2') //不为退出标识,保持循环
{
t1 = 0.0f;
t2 = 0.0f;
system("clear");
printf("\n请选择算法:1.先来先服务算法 2.退出程序\n\n请输入选择: ");
scanf("%c", &select);
if (select == '1') //先来先服务算法
{
printf("\n=====================先来先服务算法FCFS=====================\n\n");
printf("请输入进程数:");
scanf("%d", &n);
for (i = 0; i<n; i++)
{
printf("%d 进程名:", i + 1);
scanf("%s", ai.name);
printf("到达时间:");
scanf("%f", &ai.arrivetime);
printf("服务时间:");
scanf("%f", &ai.servetime);
}
getchar();
sortarrivetime(a, n);//按到达时间先后进行冒泡排序
FCFS(a,n,&t1,&t2); //先来先服务算法
avr_t1 = t1 / n;
avr_t2 = t2 / n;
printf("\n");
printf("平均周转时间为:%2.2f\n", avr_t1);
printf("平均带权周转时间为:%2.2f\n", avr_t2);
getchar();
}
else if (select == '2')
{
exit(0);
}
else
{
printf("please enter right choose!\n");
}
}
return 0;
}
请同学按下列给出的数据测试运行结果:
|----|------|------|
| 进程 | 到达时间 | 服务时间 |
| P1 | 0 | 4 |
| P2 | 1 | 6 |
| P3 | 2 | 3 |
| P4 | 3 | 1 |
| P5 | 7 | 2 |
要求给出编译及运行过程和运行结果:


分析该算法优缺点:
优点:
- 简单易实现,容易理解和掌握。
- 公平性较高,先到达的进程先被服务,避免了饥饿问题。
- 适用于短作业或者作业到达时间分布均匀的情况。
缺点:
- 无法考虑作业的优先级,如果有高优先级的作业到达,可能会导致低优先级作业等待时间较长。
- 依赖于作业到达时间的顺序,如果到达时间相同,则先被调度的作业将占据资源,导致其他作业等待时间增加。
- 无法充分利用资源,忙等问题较为明显。
- 编程实现最短作业优先算法 SJF。(3分)
参考程序框架:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
struct PCB
{
char name10; //进程名
float arrivetime; //到达时间
float servetime; //服务时间
float finishtime; //完成时间
float roundtime; //周转时间
float daiquantime; //带权周转时间
};
struct PCB a50;//初始化指针和数组
struct PCB *sortarrivetime(struct PCB a\[\], int n);//声明到达时间冒泡排序函数
void SJF(struct PCB a\[\], int n, float *t1, float *t2);//声明短作业优先算法函数
struct PCB *sortarrivetime(struct PCB a\[\], int n)
{
int i, j;
struct PCB t;
int flag; //标志变量,记录在每一趟冒泡中是否有元素交换,没有交换则结束冒泡
for (i = 1; i < n; i++) //外层循环控制比较趟数
{
flag = 0; //初始值设置为0
for (j = 0; j < n - i; j++) //内存循环控制每一趟的比较次数
{
if (aj.arrivetime > aj + 1.arrivetime) //将到达时间短的交换到前边
{
t = aj;
aj = aj + 1;
aj + 1 = t;
flag = 1; //有交换,flag置1
}
}
if (flag == 0)//如果一趟排序中没发生任何交换,则排序结束
{
break;
}
}
return a; //返回排序后进程数组
}
//短作业优先算法
void SJF(struct PCB a\[\], int n, float *t1, float *t2)
{
int i, c, d;
struct PCB t;
a0.finishtime = a0.arrivetime + a0.servetime; //完成时间=到达时间+服务时间
a0.roundtime = a0.finishtime - a0.arrivetime; //周转时间=完成时间-提交时间
a0.daiquantime = a0.roundtime / a0.servetime; //带权时间=周转时间/服务时间
for (i = 1; i < n; i++)
{
for (c = i; c < n - 1; c++)
{
for (d = c + 1; d < n; d++) //d=i+1改成d=c+1
{
if ((ai - 1.finishtime >= ac.arrivetime) && (ai - 1.finishtime >= ad.arrivetime) && (ac.servetime > ad.servetime))
{
t = ac;
ac = ad;
ad = t;
}
}
}
if (ai.arrivetime < ai - 1.finishtime) //当前到达时间在上一个作业结束时间之前
{
ai.finishtime = ai - 1.finishtime + ai.servetime;
}
else //当前到达时间在上一个作业结束时间之后
{
ai.finishtime = ai.arrivetime + ai.servetime;
}
ai.roundtime = ai.finishtime - ai.arrivetime;
ai.daiquantime = ai.roundtime / ai.servetime;
}
printf("=============================================================\n");
printf("进程相关信息如下:\n\n");
printf("进程名 ");
printf("到达时间 ");
printf("服务时间 ");
printf("完成时间 ");
printf("周转时间 ");
printf("带权周转时间\n");
for (i = 0; i < n; i++)
{
printf("%-10s", ai.name);
printf("%-10.0f", ai.arrivetime);
printf("%-10.0f", ai.servetime);
printf("%-10.0f", ai.finishtime);
printf("%-10.0f", ai.roundtime);
printf("%10.2f\n", ai.daiquantime);
*t1 += ai.roundtime;
*t2 += ai.daiquantime;
}
}
int main()
{
float t1; //总周转时间
float t2; //总带权周转时间
float avr_t1; //平均周转时间
float avr_t2; //平均带权周转时间
int n, i;
char select = ' '; //选择算法变量标识
while (select != '2') //不为退出标识,保持循环
{
t1 = 0.0f;
t2 = 0.0f;
system("clear");
printf("请选择算法:1.短作业优先算法 2.退出程序\n\n请输入选择: ");
scanf(" %c", &select);
if (select == '1') //短作业优先算法
{
printf("\n=====================短作业优先算法SJF=====================\n\n");
printf("请输入进程数:");
scanf("%d", &n);
for (i = 0; i < n; i++)
{
printf("%d 进程名:", i + 1);
scanf("%s", ai.name);
printf("到达时间:");
scanf("%f", &ai.arrivetime);
printf("服务时间:");
scanf("%f", &ai.servetime);
}
getchar();
an = *sortarrivetime(a, n);
SJF(a, n, &t1, &t2); //调短作业优先算法
avr_t1 = t1 / n; //平均周转时间
avr_t2 = t2 / n; //平均带权周转时间
printf("\n");
printf("平均周转时间为:%2.2f \n", avr_t1);
printf("平均带权周转时间为:%2.2f \n", avr_t2);
getchar();
}
else if (select == '2')
{
exit(0);
}
else
{
printf("please enter right choose!\n");
getchar();
}
}
return 0;
}编译及执行过程以及结果截屏:


分析该算法的优缺点:
优点:
- 可以保证平均等待时间最短,能够实现较高的系统运行效率。
- 由于短作业先执行,可以减少平均周转时间和平均等待时间,提高系统的响应速度。
- 可以确保最短的作业最先得到服务,从而避免了长作业占用系统资源的情况。
- 相对简单、容易实现。
缺点:
- 需要预先知道每个作业的估计运行时间,而实际的运行时间往往是未知的,这对于实际系统来说是很难预测的。
- 对于长作业来说,可能导致其长时间得不到服务,从而造成长作业的饥饿现象。
- 对于作业的估计运行时间要求较高,如果估计不准确,可能导致优先级排序错误,进一步影响系统的性能。
- 对于作业的到达时间不敏感,如果作业的到达时间不同,可能会出现饥饿现象或者长作业等待时间增加的情况。
3.编程实现最高响应比优先算法HRN,并分析该算法的优缺点。(要求给出程序设计分析和调试通过的程序,并给出编译,运行步骤和执行结果截图。)(3分)
编程程序:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct PCB {
char name10; // 进程名
float arrivetime; // 到达时间
float servetime; // 服务时间
float finishtime; // 完成时间
float roundtime; // 周转时间
float daiquantime; // 带权周转时间
float response_ratio; // 响应比
};
struct PCB a50; // 初始化指针和数组
struct PCB *sortarrivetime(struct PCB a\[\], int n); // 声明到达时间冒泡排序函数
void HRN(struct PCB a\[\], int n, float *t1, float *t2); // 声明最高响应比优先算法函数
// 按到达时间进行冒泡排序
struct PCB *sortarrivetime(struct PCB a\[\], int n)
{ int i, j;
struct PCB t;
int flag; //标志变量,记录在每一趟冒泡中是否有元素交换,没有交换则结束冒泡
for (i = 1; i<n; i++) //外层循环控制比较趟数
{
flag = 0; //初始值设置为0
for (j = 0; j<n - i; j++) //内存循环控制每一趟的比较次数
{
if (aj.arrivetime>aj + 1.arrivetime) //将到达时间短的交换到前边
{
t = aj;
aj = aj + 1;
aj + 1 = t;
flag = 1; //有交换,flag置1
}
}
if (flag == 0)//如果一趟排序中没发生任何交换,则排序结束
{
break;
}
}
return a; //返回排序后进程数组
}
// 最高响应比优先算法
void HRN(struct PCB a\[\], int n, float *t1, float *t2) {
int i, j, max_idx;
float max_ratio;
struct PCB temp;
a0.finishtime = a0.arrivetime + a0.servetime; // 完成时间=到达时间+服务时间
a0.roundtime = a0.finishtime - a0.arrivetime; // 周转时间=完成时间-到达时间
a0.daiquantime = a0.roundtime / a0.servetime; // 带权时间=周转时间/服务时间
*t1 += a0.roundtime;
*t2 += a0.daiquantime;
for (i = 1; i < n; i++) {
max_ratio = 0.0;
max_idx = -1;
for (j = i; j < n; j++) {
aj.response_ratio = (ai - 1.finishtime - aj.arrivetime + aj.servetime) / aj.servetime;
if (aj.response_ratio > max_ratio) {
max_ratio = aj.response_ratio;
max_idx = j;
}
}
temp = ai;
ai = amax_idx;
amax_idx = temp;
if (ai.arrivetime < ai - 1.finishtime) { // 当前到达时间在上一个作业结束时间之前
ai.finishtime = ai - 1.finishtime + ai.servetime;
ai.roundtime = ai.finishtime - ai.arrivetime;
ai.daiquantime = ai.roundtime / ai.servetime;
} else { // 当前到达时间在上一个作业结束时间之后
ai.finishtime = ai.arrivetime + ai.servetime;
ai.roundtime = ai.finishtime - ai.arrivetime;
ai.daiquantime = ai.roundtime / ai.servetime;
}
*t1 += ai.roundtime;
*t2 += ai.daiquantime;
}
printf("=============================================================\n");
printf("进程相关信息如下:\n\n");
printf("进程名 ");
printf("到达时间 ");
printf("服务时间 ");
printf("完成时间 ");
printf("周转时间 ");
printf("带权周转时间\n");
for (i = 0; i < n; i++) {
printf("%-10s", ai.name);
printf("%-10.0f", ai.arrivetime);
printf("%-10.0f", ai.servetime);
printf("%-10.0f", ai.finishtime);
printf("%-10.0f", ai.roundtime);
printf("%10.2f\n", ai.daiquantime);
}
}
int main() {
float t1; // 总周转时间
float t2; // 总带权周转时间
float avr_t1; // 平均周转时间
float avr_t2; // 平均带权周转时间
int n, i;
char select = ' '; // 选择算法变量标识
while (select != '2') { // 不为退出标识,保持循环
t1 = 0.0f;
t2 = 0.0f;
system("clear");
printf("请选择算法:1.最高响应比优先算法 2.退出程序\n\n请输入选择: ");
scanf("%c", &select);
if (select == '1') { // 最高响应比优先算法
printf("\n=====================最高响应比优先算法HRN=====================\n\n");
printf("请输入进程数:");
scanf("%d", &n);
for (i = 0; i < n; i++) {
printf("%d 进程名:", i + 1);
scanf("%s", ai.name);
printf("到达时间:");
scanf("%f", &ai.arrivetime);
printf("服务时间:");
scanf("%f", &ai.servetime);
}
getchar();
sortarrivetime(a, n); // 按到达时间进行冒泡排序
HRN(a, n, &t1, &t2); // 调用最高响应比优先算法
avr_t1 = t1 / n; // 平均周转时间
avr_t2 = t2 / n; // 平均带权周转时间
printf("\n");
printf("平均周转时间为:%2.2f \n", avr_t1);
printf("平均带权周转时间为:%2.2f \n", avr_t2);
getchar();
} else if (select == '2') {
exit(0);
} else {
printf("please enter right choose!\n");
getchar();
}
}
return 0;
}

分析该算法的优缺点:
优点:
- 能够保证每个作业都有机会执行,避免了作业饥饿的情况。
- 能够根据当前作业的响应比来决定下一个执行的作业,可以有效地提高作业的响应速度。
- 能够根据作业的响应比来动态调整作业的执行顺序,使得高响应比的作业能够更早执行,提高系统的整体性能。
缺点:
-
需要计算每个作业的响应比,这涉及到对作业的运行时间和等待时间的估计,因此计算复杂度较高。
-
不能满足实时性要求,因为它只关注作业的响应比而不考虑截止时间。
-
编程实现时间片轮换算法,并分析算法的优缺点。(要求给出程序设计分析和调试通过的程序,并给出编译,运行步骤和执行结果截图。)(附加题)
编程程序:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct PCB //定义进程控制块
{
char name10; //进程名
float arrivetime; //到达时间
float servetime; //服务时间
float finishtime; //完成时间
float roundtime; //周转时间
float daiquantime; //带权周转时间
};
struct PCB a50;//定义进程数组
struct PCB *sortarrivetime(struct PCB a\[\], int n);//声明到达时间冒泡排序函数
void RR(struct PCB a\[\], int n, float qt, float *t1, float *t2);//时间片轮换算法
//按到达时间进行冒泡排序
struct PCB *sortarrivetime(struct PCB a\[\], int n){
int i, j;
struct PCB t;
int flag; //标志变量,记录在每一趟冒泡中是否有元素交换,没有交换则结束冒泡
for (i = 1; i < n; i++) //外层循环控制比较趟数
{
flag = 0; //初始值设置为0
for (j = 0; j < n - i; j++) //内循环控制每一趟的比较次数
{
if (aj.arrivetime > aj + 1.arrivetime) //将到达时间短的交换到前边
{
t = aj;
aj = aj + 1;
aj + 1 = t;
flag = 1; //有交换,flag置1
}
}
if (flag == 0)//如果一趟排序中没发生任何交换,则排序结束
{
break;
}
}
return a; //返回排序后的进程数组
}
//时间片轮换算法
void RR(struct PCB a\[\], int n, float qt, float *t1, float *t2)
{
int i, j;
float remaintime50; //剩余服务时间数组
float starttime50; //开始时间数组
float responsetime50; //响应时间数组
float waitingtime50; //等待时间数组
int finishnum = 0; //已完成的进程数
float curtime = 0.0f; //当前时间
float nextstarttime = a0.arrivetime; //下一个进程开始时间
for (i = 0; i < n; i++)
{
remaintimei = ai.servetime; //剩余服务时间初始化为服务时间
starttimei = 0.0f; //开始时间初始化为0
responsetimei = 0.0f; //响应时间初始化为0
waitingtimei = 0.0f; //等待时间初始化为0
}
while (finishnum < n)
{
for (i = 0; i < n; i++)
{
if (ai.arrivetime <= curtime && remaintimei > 0) //进程到达时间小于等于当前时间并且剩余服务时间大于0
{
if (starttimei == 0) //开始时间等于0,即第一次执行该进程
{
starttimei = curtime; //记录开始时间
responsetimei = curtime - ai.arrivetime; //计算响应时间
}
if (remaintimei > qt) //剩余服务时间大于时间片
{
curtime += qt; //当前时间加上时间片
remaintimei -= qt; //剩余服务时间减去时间片
}
else
{
curtime += remaintimei; //当前时间加上剩余服务时间
ai.finishtime = curtime; //记录完成时间
ai.roundtime = curtime - ai.arrivetime; //计算周转时间
ai.daiquantime = ai.roundtime / ai.servetime; //计算带权周转时间
remaintimei = 0; //剩余服务时间置0
finishnum++; //已完成的进程数加1
}
}
else if (ai.arrivetime > curtime) //进程到达时间大于当前时间
{
curtime = ai.arrivetime; //当前时间更新为进程到达时间
break;
}
}
}
printf("=============================================================\n");
printf("进程相关信息如下:\n\n");
printf("进程名 ");
printf("到达时间 ");
printf("服务时间 ");
printf("完成时间 ");
printf("周转时间 ");
printf("带权周转时间 ");
printf("等待时间 ");
printf("响应时间\n");
for (i = 0; i < n; i++)
{
printf("%-10s", ai.name);
printf("%-10.0f", ai.arrivetime);
printf("%-10.0f", ai.servetime);
printf("%-10.0f", ai.finishtime);
printf("%-10.0f", ai.roundtime);
printf("%10.2f", ai.daiquantime);
waitingtimei = ai.roundtime - ai.servetime; //计算等待时间
printf("%10.0f", waitingtimei);
printf("%10.0f\n", responsetimei);
*t1 += ai.roundtime;
*t2 += ai.daiquantime;
}
}
int main()
{
float t1; //总周转时间
float t2; //总带权周转时间
float avr_t1; //平均周转时间
float avr_t2; //平均带权周转时间
int n, i;
float qt; //时间片大小
char select = ' '; //选择算法变量标识
while (select != '2') //不为退出标识,保持循环
{
t1 = 0.0f;
t2 = 0.0f;
system("clear");
printf("\n请选择算法:1.时间片轮换算法 2.退出程序\n\n请输入选择: ");
scanf("%c", &select);
if (select == '1') //时间片轮换算法
{
printf("\n=====================时间片轮换算法RR=====================\n\n");
printf("请输入进程数:");
scanf("%d", &n);
for (i = 0; i < n; i++)
{
printf("%d 进程名:", i + 1);
scanf("%s", ai.name);
printf("到达时间:");
scanf("%f", &ai.arrivetime);
printf("服务时间:");
scanf("%f", &ai.servetime);
}
printf("时间片大小:");
scanf("%f", &qt);
getchar();
sortarrivetime(a, n); //按到达时间先后进行冒泡排序
RR(a, n, qt, &t1, &t2); //时间片轮换算法
avr_t1 = t1 / n;
avr_t2 = t2 / n;
printf("\n");
printf("平均周转时间为:%2.2f\n", avr_t1);
printf("平均带权周转时间为:%2.2f\n", avr_t2);
getchar();
}
else if (select == '2')
{
exit(0);
}
else
{
printf("please enter right choose!\n");
}
}
return 0;

分析该算法的优缺点:
优点:
- 公平性:时间片轮转算法保证每个进程都有相同的机会来执行,不会出现饥饿问题。
- 响应时间短:当一个新的进程就绪时,它可以很快的获得执行的机会,因为每个进程都有固定长度的时间片。
- 实现简单:时间片轮转算法的实现相对简单,只需要维护一个就绪队列,并在时间片用尽时进行进程切换。
缺点:
- 平均等待时间较长:如果一个进程需要执行的时间比较长,它可能需要等待很多轮才能再次获得执行的机会,导致平均等待时间较长。
- 频繁的上下文切换:当时间片长度很短时,会导致频繁的上下文切换,增加了系统开销。
- 不适合长任务:对于执行时间较长的任务,时间片轮转算法效果不好,因为
三、实验总结和体会(1分)
本次实验是关于操作系统进程调度的实验。在实验中,我学习了进程调度的基本概念和算法,并进行了实际操作。在实验中,我首先了解了进程调度的概念和作用。进程调度是操作系统中的一项重要功能,它负责决定哪个进程在何时运行。进程调度的目标是使系统的资源得到最优的利用,提高系统的吞吐量和响应速度。
在实验过程中,我学习了不同的进程调度算法,例如先来先服务(FCFS)、短作业优先(SJF)和时间片轮转(RR)等。我了解了这些算法的特点和适用场景。
在实验操作中,我通过编写和调试代码,实现了一个简单的进程调度模拟器。我能够根据不同的调度算法,对一组进程进行调度,并观察它们的运行情况。
通过这次实验,我对进程调度有了更深入的理解。我学会了如何选择合适的进程调度算法,以实现最优的资源利用和系统性能。同时,我也学会了如何编写和调试相关的代码,提高了自己的编程能力。