【操作系统原理实验报告6】磁盘调度算法

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| ## 一、实验目的和要求 通过学习EOS实现磁盘调度算法的机制，掌握磁盘调度算法执行的条件和时机。观察EOS实现的FCFS、SSTF和SCAN磁盘调度算法，了解常用的磁盘调度算法。编写CSCAN和N-Step-SCAN磁盘调度算法，加深对各种扫描算法的理解。 |
| * ## 实验预习内容 1. 磁盘调度算法执行的条件、执行的时机、操作的对象当多个线程并发访问磁盘时，只能有一个线程访问磁盘（独占磁盘），而其它的线程会被阻塞，待独占磁盘的线程结束访问操作后，才能唤醒一个阻塞的线程，令其继续独占访问磁盘。这里提到的唤醒一个阻塞的线程的过程，就是磁盘调度算法工作的过程。可能会有多个线程由于并发访问磁盘而被阻塞，磁盘调度算法就是根据不同的策略，从中选择一个合适的线程来唤醒。准确的说，磁盘调度算法操作的对象是------由于并发访问同一个磁盘设备而被阻塞的多个线程。 1. 执行的条件、执行的时机、操作的对象条件：多个线程并发访问同一个磁盘设备才会触发磁盘调度算法。单个线程访问磁盘不会触发磁盘调度算法。时机：将阻塞线程唤醒时执行调度，而不是将线程阻塞时执行调度。对象：由于并发访问同一个磁盘设备而被阻塞的多个线程。 |
| ## 三、实验项目摘要 1． 3.2 验证先来先服务（FCFS）磁盘调度算法 1. 在"项目管理器"窗口中双击 ke文件夹中的 sysproc.c文件，打开此文件。 2. 在 sysproc.c文件的第 575行找到控制台命令"ds"对应的函数 ConsoleCmdDiskSchedule。"ds" 命令专门用来测试磁盘调度算法。阅读该函数中的源代码，目前该函数使磁头初始停留在磁道 10，其它被阻塞的线程依次访问磁道 8、21、9、78、0、41、10、67、12、10。 3. 打开 io/block.c文件，在第 391行找到磁盘调度算法函数 IopDiskSchedule。 4. 打开 io/block.c 文件，在 IopProcessNextRequest 函数中的第 249 行的代码处添加一个断点。当 ds命令执行完毕后会命中此断点，方便读者查看磁盘调度运行的结果。 5. 按 F7生成项目，然后按 F5启动调试。 6. 待 EOS启动完毕，在 EOS控制台中输入命令"ds"后按回车，会命中刚刚添加的断点。 7. 激活虚拟机窗口，在 EOS 控制台中会首先显示磁头的起始位置是 10 磁道，然后按照线程创建的顺序依次显示线程的信息（包括线程 ID和访问的磁道号）。 8. 选择"调试"菜单"窗口"中的"磁盘调度"，打开"磁盘调度"窗口，点击该窗口工具栏上的 "刷新"按钮，可以看到磁头的起始位置，以及线程依次访问磁道时，磁头移动的轨迹。对比 EOS 控制台和"磁盘调度"窗口中的内容，可以发现 FCFS 算法是根据线程访问磁盘的先后顺序进行调度的。 2． 3.3 验证最短寻道时间优先（SSTF）磁盘调度算法使用 OS Lab打开"学生包"本实验文件夹中的 sstf.c文件（将 sstf.c文件拖动到 OS Lab窗口中释放即可）。该文件提供的 IopDiskSchedule函数实现了 SSTF磁盘调度算法。变量 Offset是有符号的长整型，用来表示磁头的偏移（包括距离和方向）。Offset大于 0 时表示磁头向内移动（磁道号增加）；小于 0 时表示磁头向外移动（磁道号减少）；等于 0 时表示磁头没有移动。而名称以"Distance"结尾的变量都是无符号长整型，只表示磁头移动的距离（无方向）。所以在比较磁头的偏移和距离时，或者在将偏移赋值给距离时，都要取偏移的绝对值（调用 C 库函数 abs）。本实验在实现其它磁盘调度算法时也同样遵守此约定。在开始遍历之前，将最小距离（ShortestDistance）初始化为最大的无符号长整型数，这样，第一次计算的距离一定会小于最小距离，从而可以使用第一次计算的距离来再次初始化最小距离。本实验在实现其它磁盘调度算法时也同样使用了此技巧。按照下面的步骤进行验证： 1. 使用 sstf.c文件中 IopDiskSchedule函数的函数体，替换 block.c文件中 IopDiskSchedule函数的函数体。 2. 按 F7生成项目，然后按 F5启动调试。 3. 待 EOS启动完毕，在 EOS控制台中输入命令"ds"后按回车，仍然会命中之前添加的断点。 4. 刷新"磁盘调度"窗口，可以看到磁头移动的轨迹对比 EOS控制台和"磁盘调度"窗口中的内容（特别是线程 ID的顺序），可以发现，SSTF算法唤醒线程的顺序与线程创建的顺序是不同的。对比 SSTF算法与 FCFS算法在"磁盘调度"窗口中的内容，可以看出，SSTF算法的平均寻道数明显低于 FCFS算法。 3． 3.4 验证 SSTF算法造成的线程"饥饿"现象使用 SSTF 算法时，如果不断有新线程要求访问磁盘，而且其所要访问的磁道与当前磁头所在磁道的距离较近，这些新线程的请求必然会被优先满足，而等待队列中一些老线程的请求就会被严重推迟，从而使老线程出现"饥饿"现象。按照下面的步骤进行实验，观察这个现象： 1. 修改 sysproc.c文件 ConsoleCmdDiskSchedule函数中的源代码，仍然使磁头初始停留在磁道 10，而让其它线程依次访问磁道 78、21、9、8、11、41、10、67、12、10。 2. 按 F7生成项目，然后按 F5启动调试。 3. 待 EOS启动完毕，在 EOS控制台中输入命令"ds"后按回车，仍然会命中之前添加的断点。 4. 刷新"磁盘调度"窗口，可以看到磁头移动的轨迹。查看"磁盘调度"窗口中显示的内容，可以发现，虽然访问 78 号磁道的线程的请求第一个被放入请求队列，但却被推迟到最后才被处理，出现了"饥饿"现象。如果不断有新线程的请求到达并被优先满足，则访问 78号磁道的线程的"饥饿"情况就会更加严重。将"磁盘调度"窗口中的内容保存到一个图像文件中，然后结束此次调试。将 ConsoleCmdDiskSchedule 函数中线程访问的磁道号恢复到本实验 3.2中的样子，在后面的实验中还要使用这些数据 4. 3.5 验证扫描（SCAN）磁盘调度算法对 SSTF算法稍加改进后可以形成 SCAN算法，可防止较早发出磁盘访问请求的线程出现"饥饿"现象。使用 OS Lab打开"学生包"本实验文件夹中的 scan.c文件，该文件提供的 IopDiskSchedule函数实现了 SCAN磁盘调度算法。在阅读此函数的源代码时，应该特别注意下面几点： l 在 block.c文件中的第 387行定义了一个布尔类型的全局变量 ScanInside，用于表示扫描算法中磁头移动的方向。该变量值为 TRUE时表示磁头向内移动（磁道号增加）；值为 FALSE时表示磁头向外移动（磁道号减少）。该变量初始化为 TRUE，表示 SCAN算法第一次执行时，磁头向内移动。在 scan.c 文件的 IopDiskSchedule 函数中使用了双重循环。第一次遍历队列时，查找指定方向上移动距离最短的线程，如果在指定方向上已经没有线程，就变换方向，进行第二次遍历，同样是查找移动距离最短的线程。在这两次遍历中一定能找到合适的线程。 l 按照下面的步骤进行验证： 1. 使用 scan.c文件中 IopDiskSchedule函数的函数体，替换 block.c文件中 IopDiskSchedule函数的函数体。 2. 按 F7生成项目，然后按 F5启动调试。 3. 待 EOS启动完毕，在 EOS控制台中输入命令"ds"后按回车，仍然会命中之前添加的断点。 4. 刷新"磁盘调度"窗口，可以看到磁头移动的轨迹。对比 SCAN算法与 SSTF算法在"磁盘调度"窗口中的内容，可以看出，SCAN算法的平均寻道数有可能小于 SSTF算法，所以说 SSTF算法不能保证平均寻道数最少。将"磁盘调度"窗口中的内容保存到一个图像文件中，然后结束此次调试。使用 SCAN算法调度在本实验 3.4中产生"饥饿"现象的数据，验证 SCAN算法能够解决"饥饿"现象，并将"磁盘调度"窗口中的内容保存到一个图像文件中。最后将 ConsoleCmdDiskSchedule 函数中线程访问的磁道号恢复到本实验 3.2中的样子，在后面的实验中还要使用这些数据。 5. 在已有 SCAN 算法源代码的基础上进行改写，要求不再使用双重循环，而是只遍历一次请求队列中的请求，就可以选中下一个要处理的请求。由于线程和请求总是一一对应的，为了使后面的内容更加简单易懂，有时就不再区分这两个概念。 3.6.2 提示 1. 在一次遍历中，不再关心当前磁头移动的方向，而是同时找到两个方向上移动距离最短的线程所对应的请求，这样就不再需要遍历两次。 2. 在计算出线程要访问的磁道与当前磁头所在磁道的偏移后，可以将偏移分为三种类型：偏移为 0，表示线程要访问的磁道与当前磁头所在磁道相同，此情况应该优先被调度，可立即返回该线程对应的请求的指针；偏移大于 0，记录向内移动距离最短的线程对应的请求；偏移小于 0，记录向外移动距离最短的线程对应的请求。 3. 循环结束后，根据当前磁头移动的方向选择同方向移动距离最短的线程，如果在同方向上没有线程，就变换方向，选择反方向移动距离最短的线程。具体逻辑可以参见图 19-6所示的流程图。 6. 在已经完成的 SCAN算法源代码的基础上进行改写，不再使用全局变量 ScanInside确定磁头移动的方向，而是规定磁头只能从外向内移动。当磁头移动到最内的被访问磁道时，磁头立即移动到最外的被访问磁道，即将最大磁道号紧接着最小磁道号构成循环，进行扫描。由于磁头移动的方向被固定，也就不需要根据磁头移动的方向进行分类处理，所以 CSCAN算法的源代码会较 SCAN算法更加简单。 3.7.2 提示 1. 由于规定了磁头只能从外向内移动，所以在每次遍历中，总是同时找到向内移动距离最短的线程和向外移动距离最长的线程。注意，与 SCAN 算法查找向外移动距离最短线程不同，这里查找向外移动距离最长的线程。在开始遍历前，可以将用来记录向外移动最长距离的变量赋值为 0。 2. 在计算出线程要访问的磁道与当前磁头所在磁道的偏移后，同样可以将偏移分为三种类型：偏移为 0，表示线程要访问的磁道与当前磁头所在磁道相同，此情况应优先被调度，可立即返回该线程对应的请求的指针；偏移大于 0，记录向内移动距离最短的线程对应的请求；偏移小于 0，记录向外移动距离最长的线程对应的请求。 3. 循环结束后，选择向内移动距离最短的线程，如果没有向内移动的线程，就选择向外移动距离最长的线程 |
| ## 四、实验结果与分析 1. 验证先来先服务（FCFS）磁盘调度算法（截图EOS 控制台窗口和磁盘调度窗口内容，给出寻道总量计算过程------参考课堂习题解题过程，电子表格or手写拍照） 1. 验证最短寻道时间优先（SSTF）磁盘调度算法（截图EOS 控制台窗口和磁盘调度窗口内容，给出寻道总量计算过程------参考课堂习题解题过程，电子表格or手写拍照） 3. 仍然使磁头初始停留在磁道 10，而让其它线程依次访问磁道 78、21、9、8、11、41、10、67、12、10，验证SSTF算法造成的线程"饥饿"现象（给出磁盘调度窗口内容），并分析"饥饿现象"产生原因。结束调试后，将访问磁盘请求队列恢复到本实验 3.2中的样子。 1. 验证扫描（SCAN）磁盘调度算法（给出"磁盘调度"窗口内容，给出寻道总量计算过程------参考课堂习题解题过程，电子表格or手写拍照） 1. 仍然使磁头初始停留在磁道 10，而让其它线程依次访问磁道 78、21、9、8、11、41、10、67、12、10，验证 SCAN算法能够解决"饥饿"现象，并将"磁盘调度"窗口中的内容保存到一个图像文件中。结束调试后，将访问磁盘请求队列恢复到本实验 3.2中的样子。 1. 根据"3.2提示"和图8-16改写SCAN算法（给出改写的IopDiskSchedule()，及"磁盘调度"窗口内容）。 PREOUESTIopDiskSchedule( VOID) { PLIST ENTRY pListEntry:PREOUEST pRequest:LONG Offset: ULONG InsideShortestDistance=ÃxFFFFFFFFULONG OutsideShortestDistance=xFFFFFFFFPREQUEST pNextRequest=NLL.while(TRUE) (pListEntry = RequestListHead.NexttorpListEntry != &RequestListHead:pListEntry =pListEntry->Next)pRequest=CONTAINING RECORD(pListEntry,REQUEST,ListEntry):Offset =pReguest->Cylinder-CurrentCylinder if(0 == Offset){pNextRequest =pRequest;gotO RETURN}:else if{(ScanInside &&Offset>0){if(Offset<InsideShortestDistance) InsideShortestDistance =ffset:pNextRequest =pRequest; }else if{(!ScanInside &&Offset<0){(-0ffset<OutsideShortestDistance)ii OutsideShortestDistance =ffset:pNextReguest = pReguest: }if(NLL == pNextRequest) Scanlnside =ScanInside: }else break ; RETURN: return pNextRequest; 1. 根据"3.2提示"编写循环扫描（CSCAN）磁盘调度算法（给出改写的IopDiskSchedule()，及"磁盘调度"窗口内容，给出寻道总量计算过程------参考课堂习题解题过程，电子表格or手写拍照） |

【操作系统原理 实验报告6】磁盘调度算法

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