C语言进程调度课设报告.docx
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C语言进程调度课设报告
摘要
当今社会的飞速发展,各个领域的突飞猛进,计算机也有他卓越的进步,现在学习计算机的人数不胜数,随着人数的增加,计算机的应用显然占据了很重要的地位,每一台计算机都配有操作系统,那操作系统是什么呢?
操作系统就相当于人的各个组织,如果没有操作系统那它就像一个植物人一样,毫无价值。
操作系统是配置在计算机上的第一层软件,是对硬件系统的第一次扩充。
它在计算机系统中占据了特殊重要的地位,其它所有的软件如汇编程序、编译程序、数据库管理系统等系统软件以及大量的应用软件,都依赖于操作系统的支持,取得它的服务。
操作系统就相当于人的各个组织,如果没有操作系统,那它就像一个植物人一样,毫无价值。
在计算机系统上所配置的操作系统,其主要目标与计算机系统的规模和操作系统的类型有关,而操作系统在计算机系统中所起的作用可以从不同的角度来观察。
操作系统已成为从大型机直至微型机都配置的软件。
在不同的操作系统中采用的调度方式是不同的。
在有的系统中采用一级调度,而有的系统则采用两级调度;在调度时采用的调度算法也不一样。
按调度的层次,把调度分为高级,中级调度和低级调度。
本次课程设计的是一个用C语言模拟作业调度即高级调节器度的小型系统。
作业调度是作业从进入系统并驻留在外存的后备队列上开始,直到作业运行完毕,所经历的高级调度,也称长程调度。
它用于决定把外存上处于后备队列中的那些作业调入内存,并为它们创建进程、分配必要的资源,然后,再将新创建的进程排在就绪队列上,准备准备执行。
因此,有时也把作业调度称为接纳调度。
每次执行作业调度时,都需要做以下两个决定:
接纳多少个作业,作业调度每次要接纳我少个作业进入内存,将取决于多道程序;接纳哪些作业,应将哪个作业从外存调入内存,将取决于采用的调度算法。
作业调度算法主要包括三种算法:
先来先服务优先调度算法、短作业优先调度算法和高响应比优先调度算法。
本系统采用结构体定义作业的Jcb数据类型,用具有Jcb数据类型数组接纳各个作业,并且结合if语句分别描述每个算法特有的条件,循环测试数组中的每个作业,来确定各个作业接受系统服务的次序,从而输出每个算法对作业处理结果。
关键词作业,作业调度,Jcb,优先权,响应比
第1章系统开发相关技术
1.1VC++概论
1.1.1VC++定义
VC++是微软公司开发的一个IDE(集成开发环境),换句话说,就是使用c++的一个开发平台。
确切的说VC++是Windows平台上的C++编程环境,学习VC要了解很多Windows平台的特性并且还要掌握MFC、ATL、COM等的知识,难度比较大。
Windows下编程需要了解Windows的消息机制以及回调(callback)函数的原理;MFC是Win32API的包装类,需要理解文档视图类的结构,窗口类的结构,消息流向等等;COM是代码共享的二进制标准,需要掌握其基本原理等等。
VC作为一个主流的开发平台一直深受编程爱好者的喜爱,但是很多人却对它的入门感到难于上青天,究其原因主要是大家对他错误的认识造成的,严格的来说VC++不是门语言,虽然它和C++之间有密切的关系,如果形象点比喻的话,可以把C++看作为一种“工业标准”,而VC++则是某种操作系统平台下的“厂商标准”,而“厂商标准”是在遵循“工业标准”的前提下扩展而来的。
VC++应用程序的开发主要有两种模式,一种是WINAPI方式,另一种则是MFC方式,传统的WINAPI开发方式比较繁琐,而MFC则是对WINAPI再次封装,所以MFC相对于WINAPI开发更具备效率优势,但为了对WINDOWS开发有一个较为全面细致的认识,笔者在这里还是以讲解WINAPI的相关内容为主线。
VC基于C,C++语言,主要由是MFC组成,是与系统联系非常紧密的编程工具,它兼有高级,和低级语言的双重性,功能强大,灵活,执行效率高,几乎可说VC在Windows平台无所不能。
最大缺点是开发效率不高。
1.1.2VC++的特点
VC++面向对象的系统包含了3个要素,即对象、类和继承。
这3个要素反映了面向对象的传统观念。
面向对象的语言应该支持这3个要素。
1.对象
从实现形式上讲,对象是一个状态和操作(或方法)的封装体。
对象实现了信息隐藏,对象与外部是通过操作接口联系的,操作接口提供了这个对象的功能。
对象通过消息与另一个对象传递信息,每当一个操作被调用,就有一条消息被发送到这个对象上,消息带来了将被执行的这个操作的详细内容。
2.类
类是创建对象的样板,它包含着所创建对象的状态描述和方法的定义。
类的完整描述包含了外部接口、内部算法以及数据结构的形式。
同一个特定的类所创建的对象称为这个类的实例,因此类是对象的抽象及描述,它是具有共同行为的若干对象的统一描述体。
类中要包含生成对象的具体方法。
3.继承
继承提供了创建新类一种方法,这就是说,一个新类可以通过对已有类进行修改或扩充来满足新类的要求。
新类共类享已有类的行为,而自己还具有修改的或额个添加的行为。
因此,可以说继承的本质特征是行为共享。
由于我们只是在VC++环境下来运行我们所编的C程序,所以,在这里我们不做过多的介绍VC++。
1.2操作系统概论
1.2.1操作系统的定义和功能
操作系统(OperatingSystem,简称OS)的出现、使用和发展是近四十年来计算机软件的一个重大进展。
尽管操作系统尚未有一个被普遍接受的定义,但普遍认为:
操作系统是管理软硬件资源、控制程序执行,改善人机界面,合理组织计算机工作流程和为用户使用计算机提供良好运行环境的一种系统软件。
资源管理是操作系统的一项主要任务,而控制程序执行、扩充及其功能、屏蔽使用细节、方便用户使用、组织合理工作流程、改善人机界面等等都可以从资源管理的角度去理解。
下面就从资源管理的观点来看操作系统具有的几个主要功能。
1.处理机管理
处理器管理的第一项工作是处理中断事件,硬件只能发现中断事件,捕捉它并产生中断信号,但不能进行处理。
配置了操作系统,就能对中断事件进行处理。
处理器管理的第二项工作是处理器调度。
在单用户单任务的情况下,处理器仅为一个用户的一个任务所独占,处理器管理的工作十分简单。
但在多道程序或多用户的情况下,组织多个作业或任务执行时,就要解决处理器的调度、分配和回收等问题。
近年来设计出各种各样的多处理器系统,处理器管理就更加复杂。
为了实现处理器管理的功能,操作系统引入了进程(process)的概念,处理器的分配和执行都是以进程为基本单位;随着并行处理技术的发展,为了进一步提高系统并行性,使并发执行单位的粒度变细,操作系统又引入了线程(Thread)的概念。
对处理器的管理最总归结为对进程和线程的管理,包括:
⑴进程控制和管理
⑵进程同步和互斥
⑶进程通信
⑷进程死锁
⑸处理器调度,又分高级调度,中级调度,低级调度等
⑹线程控制和管理
正是由于操作系统对处理器的管理策略不同,其提供的作业处理方式也就不同,例如,批处理方式、分时处理方式、实时处理方式等等。
从而,呈现在用户面前,成为具有不同性质和不同功能的操作系统。
2.存储管理
存储管理的主要任务是管理存储器资源,为多道程序运行提供有力的支撑。
存储管理的主要功能包括:
⑴存储分配。
存储管理将根据用户程序的需要给它分配存储器资源。
⑵存储共享。
存储管理能地让主存中的多个用户程序实现存储资源的共享,以提高存储器的利用率。
⑶存储保护。
存储管理要把各个用户程序相互隔离起来互不干扰,更不允许用户程序访问操作系统的程序和数据,从而保护用户程序存放在存储器中的信息不被破坏。
⑷存储扩充。
由于物理内存容量有限,难于满足用户程序的需求,存储管理还应该能从逻辑上来扩充内存储器,为用户提供一个比内存实际容量大得多的编程空间,方便用户的编程和使用。
操作系统的这一部分功能与硬件存储器的组织结构和支撑设施密切相关,操作系统设计者应根据硬件情况和用户使用需要,采用各种相应的有效存储资源分配策略和保护措施。
3.设备管理
设备管理的主要任务是管理各类外围设备,完成用户提出的I/O请求,加快I/O信息的传送速度,发挥I/O设备的并行性,提高I/O设备的利用率;以及提供每种设备的设备驱动程序和中断处理程序,向用户屏蔽硬件使用细节。
为实现这些任务,设备管理应该具有以下功能:
⑴提供外围设备的控制与处理
⑵提供缓冲区的管理
⑶提供外围设备的分配
⑷提供共享型外围设备的驱动
⑸实现虚拟设备
4.文件管理
上述三种管理是针对计算机硬件资源的管理。
文件管理则是对系统的信息资源的管理。
在现代计算机中,通常把程序和数据以文件形式存储在外存储器上,供用户使用,这样,外存储器上保存了大量文件,对这些文件如不能采取良好的管理方式,就会导致混乱或破坏,造成严重后果。
为此,在操作系统中配置了文件管理,它的主要任务是对用户文件和系统文件进行有效管理,实现按名存取;实现文件的共享、保护和保密,保证文件的安全性;并提供给用户一套能方便使用文件的操作和命令。
具体来说,文件管理要完成以下任务:
⑴提供文件逻辑组织方法
⑵提供文件物理组织方法
⑶提供文件的存取方法
⑷提供文件的使用方法
⑸实现文件的目录管理
⑹实现文件的存取控制
⑺实现文件的存储空间管理
5.网络与通信管理
计算机网络源于计算机与通信技术的结合,近二十年来,从单机与终端之间的远程通信,到今天全世界成千上万台计算机联网工作,计算机网络的应用已十分广泛。
联网操作系统至
少应具有以下管理功能:
⑴网上资源管理功能。
计算机网络的主要目的之一是共享资源,网络操作系统应实现网上资滚源的共享,管理用户应用程序对资源的访问,保证信息资源的安全性和一致性。
⑵数据通信管理功能。
计算机联网后,站点之间可以互相传送数据,进行通信,通过通信软件,按照通信协议的规定,完成网络上计算机之间的信息传送。
⑶网络管理功能。
包括:
故障管理、安全管理、性能管理、记帐管理和配置管理。
6.用户接口
为了使用户能灵活、方便地使用计算机和操作系统,操作系统还提供了一组友好的用户接口,包括:
⑴程序接口
⑵命令接口
⑶图形接口
1.2.2操作系统的作用与目标
操作系统是用户与计算机硬件之间的接口,操作系统是对计算机硬件系统的第一次扩充,用户通过操作系统来使用计算机系统。
换句话来说,操作系统紧靠着计算机硬件并在其基础上提供了许多新的设施和能力,从而使得用户能够方便、可靠、安全、高效地操纵计算机硬件和运行自己的程序。
例如,改造各种硬件设施,使之更容易使用;提供原语或系统调用,扩展机器的指令系统;而这些功能到目前为止还难于由硬件直接实现。
操作系统还合理组织计算机的工作流程,协调各个部件有效工作,为用户提供一个良好的运行环境。
经过操作系统改造和扩充过的计算机不但功能更强,使用也更为方便,用户可以直接调用操作系统提供的许多功能,而无需了解许多软硬件使用细节。
操作系统可以提供虚拟计算机(VirtualMachine)。
许多年以前,人们就认识到必须找到某种方法把硬件的复杂性与用户隔离开来,经过不断的探索和研究,目前采用的方法是在计算机裸机上加上一层又一层的软件来组成整个计算机系统,同时,为用户提供一个容易理解和便于程序设计的接口。
在操作系统中,类似地把硬件细节隐藏并把它与用户隔离开来的情况处处可见,例如:
I/O管理软件、文件管理软件、窗口软件向用户提供了一个越来越方便的使用I/O功能的方法。
由此可见,每当在计算机上复盖一层软件,提供了一种抽象,系统的功能便增加一点,使用就更加方便一点,用户可用的运行环境就更加好一点。
所以,当计算机上复盖了操作系统后,便为用户提供了一台功能显著增强,使用更加方便,效率明显提高的机器。
操作系统还是计算机系统的资源管理者。
在计算机系统中,能分配给用户使用的各种硬件和软件设施总称为资源。
资源包括两大类:
硬件资源和信息资源。
其中,硬件资源分为处理器、存储器、I/O设备等,I/O设备又分为输入型设备、输出型设备和存储型设备;信息资源则分为程序和数据等。
操作系统的重要任务之一是有序地管理计算机中的硬件、软件资源,跟踪资源使用状况,满足用户对资源的需求,协调各程序对资源的使用冲突,为用户提供简单、有效的资源使用方法,最大限度地实现各类资源的共享,提高资源利用率,从而使得计算机系统的效率有很大提高。
计算机发展到今天,从个人机到巨型机,无一例外都配置一种或多种操作系统,操作系统已经成为现代计算机系统不可分割的重要组成部分。
配置操作系统的主要目标可归结为:
方便用户使用。
OS应该使计算机系统使用起来十分方便。
扩大机器功能。
OS应该能改造硬件设施,扩充机器功能。
管理系统资源。
OS应该管理好系统中的所有硬件软件资源。
提高系统效率。
OS应该充分利用计算机系统的资源,提高计算机系统的效率。
构筑开放环境。
OS应该构筑出一个开放环境,主要是指:
遵循有关国际标准;支持体系结构的可伸缩性和可扩展性;支持应用程序在不同平台上的可移植性和可互操作性。
1.2.3操作系统的主要特性
1.并发性
并发性(Concurrence)是指两个或两个以上的运行程序在同一时间间隔段内同时执行。
操作系统是一个并发系统,并发性是它的重要特征,它应该具有处理多个同时执行的程序的能力。
多个I/O设备同时在输入输出;设备输入输出和CPU计算同时进行;内存中同时有多个程序被启动交替、穿插地执行,这些都是并发性的例子。
发挥并发性能够消除计算机系统中部件和部件之间的相互等待,有效地改善了系统资源的利用率,改进了系统的吞吐率,提高了系统效率。
例如,一个程序等待I/O时,就出让CPU,而调度另一个运行程序占有CPU执行。
这样,在程序等待I/O时,CPU便不会空闲,这就是并发技术。
并发性会引发一系列的问题,使操作系统的设计和实现变得复杂化。
如:
怎样从一个运行程序切换到另一个运行程序?
怎样将各个运行程序隔离开来,使之互不干扰,免遭对方破坏?
怎样让多个运行程序协作完成任务?
怎样协调多个运行程序对资源的竞争?
如何保证每个运行程序的资源不被其它运行程序侵犯?
多个运行程序共享文件数据时,如何保证数据的一致性?
操作系统必须具有控制和管理并发执行的运行程序的能力,为了更好的解决上述问题,操作系统中很早就引入了一个重要的概念——进程,由于进程能清淅刻划操作系统中的并发性,实现多个运行程序的并发执行,因而它已成为现代操作系统的一个重要基础。
采用了并发技术的系统又称为多任务系统(Multitasking),计算机系统中,并发的实质是一个物理CPU(也可以是多个物理CPU))在若干道程序之间多路复用,这样就可以实现运行程序之间的并发,以及CPU与I/O设备、I/O设备与I/O设备之间的并行,并发性的实质是对有限物理资源强制行使多用户共享以提高效率。
不难看出,实现并发技术的关键之一是如何对系统内的多个运行程序(进程)进行切换的技术。
2.共享性
共享性是操作系统的另一个重要特征。
共享指操作系统中的资源(包括硬件资源和信息资源)可被多个并发执行的进程所使用。
出于经济上的考虑,一次性向每个用户程序分别提供它所需的全部资源不但是浪费的,有时也是不可能的。
现实的方法是让多个用户程序共用一套计算机系统的所有资源,因而必然会产生共享资源的需要。
资源共享的方式可以分成两种:
第一种是互斥共享。
系统中的某些资源如打印机、磁带机、卡片机,虽然它们可提供给多个进程使用,但在同一时间内却只允许一个进程访问这些资源。
当一个进程还在使用该资源时,其它欲访问该资源的进程必须等待,仅当该进程访问完毕并释放资源后,才允许另一进程对该资源访问。
这种同一时间内只允许一个进程访问的资源称临界资源,许多物理设备,以及某些数据和表格都是临界资源,它们只能互斥地被共享。
第二种是同时访问。
系统中的还有许多资源,允许同一时间内多个进程对它进行访问,这里“同时”是宏观上的说法。
典型的可供多进程同时访问的资源是磁盘,可重入程序也可被同时共享。
与共享性有关的问题是资源分配、信息保护、存取控制等,必须要妥善解决好这些问题。
共享性和并发性是操作系统两个最基本的特征,它们互为依存。
一方面,资源的共享是因为运行程序的并发执行而引起的,若系统不允许运行程序并发执行,自然也就不存在资源共享问题。
另一方面,若系统不能对资源共享实施有效地管理,必在会影响到运行程序的并发执行,甚至运行程序无法并发执行,操作系统也就失去了并发性,导致整个系统效率低下。
3.异步性
操作系统的第三个特点是异步性(Asynchronism),或称随机性。
在多道程序环境中,允许多个进程并发执行,由于资源有限而进程众多,多数情况,进程的执行不是一贯到低,而是“走走停停”,例如,一个进程在CPU上运行一段时间后,由于等待资源满足或事件发生,它被暂停执行,CPU转让给另一个进程执行。
系统中的进程何时执行?
何时暂停?
以什么样的速度向前推进?
进程总共要多少时间执行才能完成?
这些都是不可予知的,或者说该进程是以异步方式运行的,异步性给系统带来了潜在的危险,有可能导致与时间有关的错误,但只要运行环境相同,操作系统必须保证多次运行作业,都会获得完全相同的结果。
操作系统中的随机性处处可见,例如,作业到达系统的类型和时间是随机的;操作员发出命令或按按钮的时刻是随机的;程序运行发生错误或异常的时刻是随机的;各种各样硬件和软件中断事件发生的时刻是随机的等等,操作系统内部产生的事件序列有许许多多可能,而操作系统的一个重要任务是必须确保捕捉任何一种随机事件,正确处理可能发生的随机事件,正确处理任何一种产生的事件序列,否则将会导致严重后果。
1.2.4操作系统需要解决的主要问题
操作系统具有三大特征:
并发性、共享性和异步性,为了解决进程并发执行和资源共享,以及处理随机事件产生时所引起的各种各样的新矛看,操作系统必须解决好以下几个问题。
1.提供解决资源冲突的策略和技术
操作系统中,并发执行的运行程序之间共享了处理器、存储空间、I/O设备和软件资源。
要为用户提供简单、有效的资源使用方法,充分发挥系统资源的利用率,则必须研究各类资源的共性和个性,进而提出资源分配办法和解决资源冲突的各种策略和技术。
除了传统的资源共享方式,经过多年的研究,操作系统中提出了另一种解决资源冲突的基本技术——“多重化”(Multiplex),或称“虚拟化”(Virtual)技术。
这种技术的基本思想是:
通过用一类物理设备来模拟另一类物理设备,或通过分时地使用一类物理设备,把一个物理实体改变成若干个逻辑上的对应物。
物理实体是实际存在的,而逻辑上的对应物是虚幻的、感觉上的。
例如,在多道程序环境中,虽然只有一个物理CPU,通过设置进程控制块以及分时使用实际的CPU,把它虚拟化成多台逻辑上的CPU,每个用户都认为自己获得了专有CPU;通过Spooling(SimultaneousPeripheralOperationsOnLine)技术,可以用一类物理I/0设备来模拟另一类物理设备,“构造”出许多台静态设备供用户使用;通过多路复用技术,可以把一条物理信道虚拟化为若干条逻辑信道,每个用户都认为自己获得专有的信道在进行数据通信;通过虚拟存储技术,把一个统一编址相对较小的物理主存变成多个逻辑上独立编址的虚拟存储器,使得每个用户认为自己获得了硕大无比的编程和运行程序的主存空间。
更有甚者,IBM公司开发的VM/370(VirtualMachine/370)操作系统,它将上述的“多重化”技术发挥到淋漓尽致。
虚机器监控程序VM/370。
它向上层提供了若干台虚拟计算机,与传统的操作系统不同的是:
这些虚拟计算机不是具有文件管理,设备管理和作业控制之类的虚拟机,而仅仅是实际物理计算机(裸机)的逻辑复制品。
其多重化的过程如下:
CPU调度程序使各个进程共享物理CPU,或者说多重化出许多虚CPU,每个进程可分得一个;虚存管理使每台虚CPU都有自己的虚存空间;SPOOLING技术和文件系统提供了虚拟读卡机、穿卡机和行式打印机;各个用户的终端通过分时使用处理器时间,提供了虚拟机操作员控制台;每台虚拟机的磁盘是通过划分物理磁盘若干磁道而形成的,称作“小盘”。
这样一来,每台复制出来的虚拟计算机包含有:
核心态/用户态,中断,CPU、I/O设备、内存、辅存等,以及物理计算机具有的全部部件。
因为每台虚拟机与一台裸机完全一样,所以同一台裸机的不同虚拟机上可运行不同的操作系统。
2.协调并发活动的关系
在操作系统中,有时候一组并发进程协作完成一项任务,而有时候一组并发进程又在竞争某种资源,所以,并发进程之间有一种相互制约的关系。
并发进程之间的制约关系必须由系统提供机制或策略来进行协调,以使各个并发进程能顺利推进,并获得正确的运行结果。
另外,操作系统还要合理组织计算机工作流程,协调各类硬软件设施工作,充分提高资源的利用率,充分发挥系统的并行性,这些也都是在操作系统的统一指挥和管理下进行的。
3.保证系统的安全性
影响计算机系统安全性的因素很多。
首先,是操作系统的安全性,操作系统是一个共享资源系统,支持多用户同时共享一套计算机系统的资源,有资源共享就需要有资源保护,涉及到种种安全性问题。
最基本的保护问题有以下三类:
⑴对操作系统程序的保护
⑵对系统中的多道程序的保护
⑶对共享的表格和数据的保护
其次,随着计算机网络的迅速发展,客户机要访问服务器,一台计算机要传送数据给另一台计算机,于是就需要有网络安全和数据信息的保护;另外,在应用系统中,主要依赖数据厍来存储大量信息,它是各个部门十分重要的一种资源,数据库中的数据会被广泛应用,特别是在网络环境中的数据库,这就提出了信息系统——数据库的安全性问题;最后计算机安全性中的一个特殊问题是计算机病毒,需要采用措施预防、发现、解除它。
上述计算机安全性问题大部份要求操作系统来保证,所以操作系统的安全性是计算机系统安全性的基础。
第2章系统设计原理
2.1作业调度
作业调度主要的功能是根据作业控制块中的信息,审查系统能否满足用户作业的资源需求,以及按照一定的算法,从外存的后备队列中选取某些作业调入内存,并为它们创建进程、分配必要的资源。
然后再将新创建的进程插入就绪队列,准备执行。
为了管理和调度作业,在多道批处理系统中为每个作业设置了一个作业控制块,如同进程控制块是进程在系统中存在的标志一样,它是作业在系统中存在的标志,其中保存了系统对作业进行管理和调度所需的全部信息。
在JCB中所包含的内容因系统而异,通常应包含的内容有:
作业标识、用户名称、用户帐户、作业类型(CPU繁忙型、I/O繁忙型、批量型、终端型)、作业状态、调度信息(优先级、作业已运行时间)、资源需求(预计运行时间、要求内存大小、要求I/O设备的类型和数量等)、进入系统时间、开始处理时间、作业处理时间、作业完成时间、作业退出时间、资源使用情况等。
每当作业进入系统时,系统便为每个作业建立一个JCB,根据作业类型将它插入相应的后备队列中。
同时在本次的作业管理设计中,先定义了文件结构体JCB,程序运行时通过调用CREAT函数建立文件并把输入的作业信息写入到文件中,使得调用三种作业调度算法时,不改变基本信息的内容。
作业调度程序依据一定的调度算法来调度它们,被调度到的作业将会装入内存。
在作业运行期间,系统就按照JCB中的信息对作业进行控制。
当一个作业执行结束进入完成状态时,系统负责回收分配给它的资源,撤消它的作业控制块。
对用户而言,总希望自己作业的周转时间尽可能的少,最好周转时间就等于作业的执行时间。
然而对系统来说,则希望作业的平均周转时间尽可能少,有利于提高CPU的利用率和系统的吞吐量。
为此,每个系统在选择作业调度算法时,既应考虑用户的要求,又能确保系统具有较高的效率。
在每次执行作业调度时,都需要决定接纳多少个作业和决定接纳哪些作业。
作业调度
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