操作系统课程设计-银行家算法的实现+虚拟内存页面置换算法+进程调度算法.doc

操作系统 课程设计报告 设计题目：银行家算法的实现 虚拟内存页面置换算法 进程调度算法 姓名：李晓雨学号：20106587班级： 信息与计算科学01班完成日期： 2012年 12月30日 设计题目银行家算法的实现设计形式 独立完成 设计目的1加深了解有关资源申请、避免死锁等概念。2体会和了解死锁和避免死锁的具体实施方法。设计预备知识1死锁的相关知识。 2银行家算法。3系统安全性检查。设计内容1设计进程对各类资源最大申请表示及初值的确定。2设定系统提供资源的初始状况。 3设定每次某个进程对各类资源的申请表示。4编制程序，依据银行家算法，决定其资源申请是否得到满足。5显示资源申请和分配时的变化情况。小组成员分工无银行家算法分析、设计与实现一、 设计理论描述本设计的目的是通过编写和调试一个系统动态分配资源的简单模拟程序，观察死锁产生的条件，并采用适当的算法，有效地防止和避免死锁地发生。要求如下：（1）模拟一个银行家算法；（2）初始化时让系统拥有一定的资源；（3）用键盘输入的方式申请资源；（4）如果预分配后，系统处于安全状态，则修改系统的资源分配情况；（5）如果预分配后，系统处于不安全状态，则提示不能满足请求，设计的主要内容是模拟实现动态资源分配。同时编写和调试一个系统动态资源的简单模拟程序，观察死锁产生的条件，并使用适当的算法，有效的防止和避免死锁的发生。银行家算法. 顾名思义是来源于银行的借贷业务，一定数量的本金要应多个客户的借贷周转，为了防止银行加资金无法周转而倒闭，对每一笔贷款，必须考察其是否能限期归还。在操作系统中研究资源分配策略时也有类似问题，系统中有限的资源要供多个进程使用，必须保证得到的资源的进程能在有限的时间内归还资源，以供其他进程使用资源。如果资源分配不得到就会发生进程循环等待资源，则进程都无法继续执行下去的死锁现象。把一个进程需要和已占有资源的情况记录在进程控制中，假定进程控制块PCB其中“状态”有就绪态、等待态和完成态。当进程在处于等待态时，表示系统不能满足该进程当前的资源申请。“资源需求总量”表示进程在整个执行过程中总共要申请的资源量。显然，每个进程的资源需求总量不能超过系统拥有的资源总数, 银行算法进行资源分配可以避免死锁.二、算法描述及数据结构模型 1.银行家算法: 设进程i提出请求Requestn，则银行家算法按如下规则进行判断。 (1)如果RequestnNeedi，n，则报错返回。 (2)如果RequestnAvailable，则进程i进入等待资源状态，返回。 (3)假设进程i的申请已获批准，于是修改系统状态： Available=Available-Request Allocation=Allocation+Request Need=Need-Request(4)系统执行安全性检查，如安全，则分配成立；否则试探险性分配作废，系统恢复原状，进程等待。 2.安全性检查 (1)设置两个工作向量Work=Available；FinishM=False(2)从进程集合中找到一个满足下述条件的进程， Finish i=False Need=Work 如找到，执行(3)；否则，执行(4) (3)设进程获得资源，可顺利执行，直至完成，从而释放资源。 Work=Work+Allocation Finish=True GO TO 2 (4)如所有的进程FinishM=true，则表示安全；否则系统不安全。 3.数据结构#define False 0#define True 1int Max100100=0;/各进程所需各类资源的最大需求int Avaliable100=0;/系统可用资源char name100=0;/资源的名称int Allocation100100=0;/系统已分配资源int Need100100=0;/还需要资源int Request100=0;/请求资源向量int temp100=0;/存放安全序列int Work100=0;/存放系统可提供资源int M=100;/作业的最大数为100int N=100;/资源的最大数为100void showdata()/显示资源矩阵三、源代码#include#include#include#define False 0#define True 1int Max100100=0;/各进程所需各类资源的最大需求int Avaliable100=0;/系统可用资源char name100=0;/资源的名称int Allocation100100=0;/系统已分配资源int Need100100=0;/还需要资源int Request100=0;/请求资源向量int temp100=0;/存放安全序列int Work100=0;/存放系统可提供资源int M=100;/作业的最大数为100int N=100;/资源的最大数为100void showdata()/显示资源矩阵 int i,j; cout系统目前可用的资源Avaliable:endl; for(i=0;iN;i+) coutnamei ; coutendl; for (j=0;jN;j+) coutAvaliablej ;/输出分配资源 coutendl; cout Max Allocation Needendl; cout进程名 ; for(j=0;j3;j+) for(i=0;iN;i+) coutnamei ; cout ; coutendl; for(i=0;iM;i+) cout i ; for(j=0;jN;j+) coutMaxij ; cout ; for(j=0;jN;j+) coutAllocationij ; cout ; for(j=0;jN;j+) coutNeedij ; coutendl; int changdata(int i)/进行资源分配 int j;for (j=0;jM;j+) Avaliablej=Avaliablej-Requestj; Allocationij=Allocationij+Requestj; Needij=Needij-Requestj;return 1;int safe()/安全性算法int i,k=0,m,apply,Finish100=0;int j;int flag=0;Work0=Avaliable0;Work1=Avaliable1;Work2=Avaliable2;for(i=0;iM;i+) apply=0; for(j=0;jN;j+) if (Finishi=False&Needij=Workj) apply+; if(apply=N) for(m=0;mN;m+) Workm=Workm+Allocationim;/变分配数 Finishi=True; tempk=i; i=-1; k+; flag+; for(i=0;iM;i+) if(Finishi=False) cout系统不安全endl;/不成功系统不安全 return -1; cout系统是安全的!endl;/如果安全，输出成功 cout分配的序列:;for(i=0;iM;i+)/输出运行进程数组 couttempi; if(iM-1) cout; coutendl; return 0;void share()/利用银行家算法对申请资源对进行判定char ch;int i=0,j=0;ch=y;cout请输入要求分配的资源进程号(0-M-1i;/输入须申请的资源号cout请输入进程 i 申请的资源:endl;for(j=0;jN;j+) coutnamejRequestj;/输入需要申请的资源 for (j=0;jNeedij)/判断申请是否大于需求，若大于则出错 cout进程 i申请的资源大于它需要的资源; cout 分配不合理，不予分配！Avaliablej)/判断申请是否大于当前资源，若大于则 /出错 cout进程i申请的资源大于系统现在可利用的资源; cout 分配出错，不予分配!endl; ch=n; break; if(ch=y) changdata(i);/根据进程需求量变换资源 showdata();/根据进程需求量显示变换后的资源 safe();/根据进程需求量进行银行家算法判断 void addresources()/添加资源 int n,flag;coutn;flag=N;N=N+n;for(int i=0;in;i+) coutnameflag; coutAvaliableflag+;showdata();safe();void delresources()/删除资源char ming;int i,flag=1;coutming;for(i=0;iN;i+) if(ming=namei) flag=0; break; if(i=N) cout该资源名称不存在，请重新输入：;while(flag);for(int j=i;jN-1;j+) namej=namej+1; Avaliablej=Avaliablej+1; N=N-1;showdata();safe();void changeresources()/修改资源函数cout系统目前可用的资源Avaliable:endl; for(int i=0;iN;i+) coutnamei:Avaliableiendl;cout输入系统可用资源Avaliable:Avaliable0Avaliable1Avaliable2;cout经修改后的系统可用资源为endl;for (int k=0;kN;k+) coutnamek:Avaliablekendl;showdata();safe();void addprocess()/添加作业 int flag=M;M=M+1;cout请输入该作业的最打需求量Maxendl;for(int i=0;iN;i+) coutnameiMaxflagi; Needflagi=Maxflagi-Allocationflagi;showdata();safe();int main()/主函数 int i,j,number,choice,m,n,flag;char ming;cout*资源管理系统的设计与实现*endl;coutn;N=n;for(i=0;in;i+) cout资源i+1ming; namei=ming; coutnumber; Avaliablei=number;coutendl;coutm;M=m;cout请输入各进程的最大需求量(m*n矩阵)Max:endl;for(i=0;im;i+) for(j=0;jMaxij;do flag=0; cout请输入各进程已经申请的资源量(m*n矩阵)Allocation:endl; for(i=0;im;i+) for(j=0;jAllocationij; if(AllocationijMaxij) flag=1; Needij=Maxij-Allocationij; if(flag) cout申请的资源大于最大需求量，请重新输入!n;while(flag); showdata();/显示各种资源 safe();/用银行家算法判定系统是否安全 while(choice) cout*银行家算法演示*endl; cout 1:增加资源 endl; cout 2:删除资源 endl; cout 3:修改资源 endl; cout 4:分配资源 endl; cout 5:增加作业 endl; cout 0:离开 endl; cout*endl; coutchoice; switch(choice) case 1: addresources();break; case 2: delresources();break; case 3: changeresources();break; case 4: share();break; case 5: addprocess();break; case 0: choice=0;break; default: cout请正确选择功能号(0-5)!endl;break; return 1;四、程序运行结果及分析 T0 时刻的资源分配表(各种资源的数量分别为：10、5、7) 资源情况进程MaxA B CAllocationA B CNeedA B CAvailableA B CP07 5 30 1 07 4 33 3 2P13 2 22 0 01 2 2P29 0 23 0 26 0 0P32 2 22 1 10 1 1P44 3 30 0 24 3 1 运行结果 五、课程设计心得与体会银行家算法是避免死锁的一种重要方法，通过编写一个简单的银行家算法程序，加深了解有关资源申请、避免死锁等概念，并体会和了解死锁和避免死锁的具体实施方法。死锁的产生，必须同时满足四个条件，即一个资源每次只能由一个进程；第二个为等待条件，即一个进程请求资源不能满足时，它必须等待，但它仍继续保持已得到的所有其他资源；第三个为非剥夺条件，即在出现死锁的系统中一定有不可剥夺使用的资源；第四个为循环等待条件，系统中存在若干个循环等待的进程，即其中每一个进程分别等待它前一个进程所持有的资源。防止死锁的机构只能确保上述四个条件之一不出现，则系统就不会发生死锁。六.参考文献：1计算机操作系统汤子瀛等：西安电子科技大学出版社 2高级语言c+程序设计刘璟等：高等教育出版社虚拟内存页面置换算法【实验目的】通过这次实验，加深对虚拟内存页面置换概念的理解，进一步掌握先进先出FIFO，最佳置换OPI和最近最久未使用LRU页面置换算法的实现方法。【实验内容】问题描述：设计程序模拟先进先出FIFO，最佳置换OPI和最近最久未使用LRU页面置换算法的工作过程。假设内存中分配给每个进程的最小物理块数为m，在进程运行过程中要访问的页面个数为n，页面访问序列为P1, ,Pn，分别利用不同的页面置换算法调度进程的页面访问序列，给出页面访问序列的置换过程，计算每种算法缺页次数和缺页率。程序要求如下：1）利用先进先出FIFO，最佳置换OPI和最近最久未使用LRU三种页面置换算法模拟页面访问过程。2）模拟三种算法的页面置换过程，给出每个页面访问时的内存分配情况。3）输入：最小物理块数m，页面个数n，页面访问序列P1, ,Pn，算法选择1-FIFO，2-OPI，3-LRU。4）输出：每种算法的缺页次数和缺页率。【实验要求】1) 上机前认真复习页面置换算法，熟悉FIFO，OPI，LRU三种页面分配和置换算法的过程；2) 上机时独立编程、调试程序；3) 根据具体实验要求，完成好实验报告（包括实验的目的、内容、要求、源程序、实例运行结果截图）。【源代码】/- YeMianZhiHuan.cpp -#include iostream.hconst int DataMax=100;const int BlockNum = 10;int DataShowBlockNumDataMax; / 用于存储要显示的数组bool DataShowEnableBlockNumDataMax; / 用于存储数组中的数据是否需要显示/int DataDataMax=4,3,2,1,4,3,5,4,3,2,1,5,6,2,3,7,1,2,6,1; / 测试数据/int N = 20; / 输入页面个数int DataDataMax; / 保存数据int BlockBlockNum; / 物理块int countBlockNum; / 计数器int N ; / 页面个数int M;/最小物理块数int ChangeTimes;void DataInput(); / 输入数据的函数void DataOutput();void FIFO(); / FIFO 函数void Optimal(); / Optimal函数void LRU(); / LRU函数/*int main(int argc, char* argv) DataInput();/ DataInput(); / FIFO(); / Optimal(); / LRU(); / return 0; int menu; while(true) coutendl; cout* 菜单选择 *endl; cout*endl; cout* 1-FIFO *endl; cout* 2-Optimal *endl; cout* 3-LRU *endl; cout* 0-EXIT *endl; cout*menu; switch(menu) case 1: FIFO();break; case 2: Optimal();break; case 3: LRU();break; default: break; if(menu!=1&menu!=2&menu!=3) break; /*/void DataInput() coutM; while(M BlockNum) / 大于数据个数 coutM; coutN; while(N DataMax) / 大于数据个数 coutN; cout请输入页面访问序列：endl; for(int i=0;iDatai;void DataOutput() int i,j; for(i=0;iN;i+) / 对所有数据操作 coutDatai ; coutendl; for(j=0;jM;j+) cout ; for(i=0;iN;i+) / 对所有数据操作 if( DataShowEnableji ) coutDataShowji ; else cout ; coutendl; cout缺页次数: ChangeTimesendl; cout缺页率: ChangeTimes*100/N%endl;void FIFO() int i,j; bool find; int point; int temp; / 临时变量 ChangeTimes = 0; for(j=0;jM;j+) for(i=0;iN;i+) DataShowEnableji = false; / 初始化为false，表示没有要显示的数据 for(i=0;i=3的块，替换后计数值置1， / 同时其它的块计数值加1 ，成了（1 3 2 ），见下面先进先出程序段 for(i=0;iN;i+) / 对有所数据操作 / 增加count for(j=0;jM;j+) countj+; find = false; / 表示块中有没有该数据 for(j=0;j M ) / 因为i是从0开始记，而M指的是个数，从1开始，所以i+1 /获得要替换的块指针 temp = 0; for(j=0;jM;j+) if( temp countj ) temp = countj; point = j; / 获得离的最远的指针 else point = i; / 替换 Blockpoint = Datai; countpoint = 0; / 更新计数值 / 保存要显示的数据 for(j=0;jM;j+) DataShowji = Blockj; DataShowEnableiM?(j=i?j:i):ji = true; / 设置显示数据 / 输出信息 cout endl; cout endl; DataOutput();void Optimal() int i,j,k; bool find; int point; int temp; / 临时变量，比较离的最远的时候用 ChangeTimes = 0; for(j=0;jM;j+) for(i=0;iN;i+) DataShowEnableji = false; / 初始化为false，表示没有要显示的数据/ for(i=0;iM;i+)/ / counti = 0 ; / / for(i=0;iN;i+) / 对有所数据操作 find = false; / 表示块中有没有该数据 for(j=0;jM;j+) if( Blockj = Datai ) find = true; if( find ) continue; / 块中有该数据，判断下一个数据 / 块中没有该数据，最优算法 ChangeTimes+; / 缺页次数+ for(j=0;jM;j+) / 找到下一个值的位置 find = false; for( k =i;k M ) / 因为i是从0开始记，而BlockNum指的是个数，从1开始，所以i+1 /获得要替换的块指针 temp = 0; for(j=0;jM;j+) if( temp countj ) temp = countj; point = j; / 获得离的最远的指针 else point = i; / 替换 Blockpoint = Datai; / 保存要显示的数据 for(j=0;jM;j+) DataShowji = Blockj; DataShowEnableiM?(j=i?j:i):ji = true; / 设置显示数据 / 输出信息 cout endl; cout endl; DataOutput();void LRU() int i,j; bool find; int point; int temp; / 临时变量 ChangeTimes = 0; for(j=0;jM;j+) for(i=0;iN;i+) DataShowEnableji = false; / 初始化为false，表示没有要显示的数据 for(i=0;iM;i+) counti = 0 ; for(i=0;iN;i+) / 对有所数据操作 / 增加count for(j=0;jM;j+) countj+; find = false; / 表示块中有没有该数据 for(j=0;j M ) / 因为i是从0开始记，而BlockNum指的是个数，从1开始，所以i+1 /获得要替换的块指针 temp = 0; for(j=0;jM;j+) if( temp countj ) temp = countj; point = j; / 获得离的最远的指针 else point = i; / 替换 Blockpoint = Datai; countpoint = 0; / 保存要显示的数据 for(j=0;jM;j+) DataShowji = Blockj; DataShowEnableiM?(j=i?j:i):ji = true; / 设置显示数据 / 输出信息 cout endl; cout endl; DataOutput();【效果截图】以作业为测试数据：进程调度算法一、实验目的 通过优先权法与轮转调度算法的模拟加深对进程概念和进程调度过程的理解，掌握进程状态之间的切换，同时掌握进程调度算法的实现方法和技巧。二、实验内容 1、用C语言或C+语言来实现对N个进程采用优先算法以及轮转算法的进程调度。 2、每个用来标示进程的进程控制块PCB用结果来描述，包括以下字段 （1）进程标识ID，其中0为闲逛进程，用户进程的标识数为1、2、3、。 （2）进程优先级Priority，闲逛进程（idle）的优先级为0，用户有进程的优先级大于0，且随机产生，标识数越大，优先级越高。 （3）进程占用的CPU时间CPUtime，进程每运一次，累积等于4. （4）进程总共需要运行时间Alltime，利用随机函数产生。 （5）进程状态，0就绪态，1运行态，2阻塞态。 （6）队列指针next，用来将多个进程控制块PCB链接为队列。 3、优先数改变的原则 （1）进程在就绪队列中每呆一个时间片，优先数增加1. （2）进程每运行一个时间片，优先数增加1.4、在调度前，系统中拥有的进程数PCB_number有键盘输入，进初始化后，所有的进程控制块PCB连接成就绪队列。5、为了清楚的观察诸进程的调度过程，程序应将每个时间片内的进程的情况显示出来。三、实验步骤1、进程管理程序调式好后，运行进程管理程序输入开始进程数n创建n个PCB并加入readyqueue中ready-queue是否为空Y NRunning=idRunning逐个将redy_pc中的PCB阻塞RunningN YRunning=idleYN将Running从ready_queue中删除，再将running加入block_queueb 更新新进程就绪队列进程优先数，优先数加1是否创建新PCB N Y创建新进程并加入到ready_queue中随机 对block_queue中的进程PCB询问是否要唤醒？处理完了吗 Y N是否要唤醒 N Y将其从blick_queuek队列是中删除，再将其加入ready_queuek 2、优先权调度（1）输入1选择优先权调度算法模拟。（2）输入开始进程个数n，创建n个PCB并加入就绪队列ready_queue中。（3）就绪队列ready_queue不为空，调度就绪队列中第一个进程运行，否则，从闲逛队列idleprocess中调度闲逛进程运行。（4）在运行过程中，当遇到阻塞，则该进程插入到阻塞队列block_queue中，且将该进程从ready_queue中删除。（5）如果运行时间CPUtime大于等于Alltime，该进程运行完毕，释放该进程；否则插入到就绪队列中。（6）更新就绪队列中的优先级数。（7）随机对阻塞队列block_queue中的进程PCB询问是否要唤醒，唤醒，即从唤醒队列中选择第一个进程，且插入就绪队列中；阻塞队列中没有阻塞进程返回。（8）重复上述步骤，直到本次调度结束。3、轮转调度（1）输入2选择优先权调度算法模拟。（2）输入开始进程个数n，创建n个PCB并加入就绪队列ready_queue中。（3）就绪队列ready_queue不为空，调度就绪队列中第一个进程运行，否则，从闲逛队列idleprocess中调度闲逛进程运行。（4）在运行过程中，当遇到阻塞，则该进程插入到阻塞队列block_queue中，且将该进程从ready_queue中删除。（5）如果运行时间CPUtime大于等于Alltime，该进程运行完毕，释放该进程；否则插入到就绪队列中。（6）随机对阻塞队列block_queue中的进程PCB询问是否要唤醒，唤醒，即从唤醒队列中选择第一个进程，且插入就绪队列中；阻塞队列中没有阻塞进程返回。（7）如果时间到，本次调度结束，否则重复上述步骤，直到本次调度结束。输入开始进程数n创建n个PCB并加入readyqueue中ready-queue是否为空Y NRunning=idRunning逐个将redy_pc中的PCB阻塞RunningN YRunning=idleYN将Running从ready_queue中删除，再将running加入block_queueb 是否创建新PCB N Y创建新进程并加入到ready_queue中随机 对block_queue中的进程PCB询问是否要唤醒 ？处理完了吗 Y N是否要唤醒 N Y将其从blick_queuek队列是中删除，再将其加入ready_queuek Y四、课程设计总结1、当把该算法用于作业调度时，系统将从后备队列中选择若干个优先权最高的作业，装入内存，当用于进程调度算法时，该算法是把处理及分配给就绪队列中优先权最高的进程。2、当系统空闲（就绪队列为空）时，系统运行闲逛进程，否则运行其他进程，发生变迁（就绪运行）3、在运行进程（包括闲逛进程）的过程中，可能发生变迁2(运行阻塞)，即将运行进程插入到阻塞队列（闲逛进程不能不被阻塞），可能有其他的进程创建PCB，还可能唤醒阻塞队列中的某些进程PCB，发生变迁3（阻塞就绪），即从阻塞队列中插入就绪队列中。4、时间片运行结束后，若进程累积占用CPU时间大于等于进程需要运行时间，则进程执行结束，释放其PCB。若进程累积占用CPU时间小于进程需要运行时间，发生变迁4（运行就绪），即将当前运行的进程插入就绪队列中。附：进程调度算法代码/ process.cpp : Defines the entry point for the console appli