操作系统实验-进程控制（python实现）

一、实验目标

模拟操作系统对进程的管理。实现进程之间的切换。

二、实验要求

（1）单处理机，即一次只能 1 个进程处于运行态
（2）内核实现进程切换和进程调度（scheduler&switch）的执行时间忽略，只考虑进程的执行所花时间
（3）程序的指令分为 cpu 和 io 两种类型。 cpu 代表 cpu 指令，执行 cpu 指令需要 1 个时间单位；io 代表 io 指令，需要阻塞该进程，执行 io 指令需要 5 个时间单位(第 1 个时间单位使用 cpu，后面 4 个时间单位使用 IO 设备)
（4）进程的状态有：READY，RUN:cpu, RUN:io, WAITING, DONE
（5）CPU 的状态有：1（忙），0（空闲），IOs 的状态有：1（忙），0（空闲）

三、代码实现

class PCB:                  #进程pcbdef __init__(self,id):  #通过id来区分是哪一个进程self.id=id          #进程idself.state='ready'  #进程初始状态均设置为ready就绪态self.instruction=[] #进程的指令self.waitingtime=0  #阻塞标记 io时使用class queue:                #用于进程调度管理的链式队列def __init__(self):self.head=None      #初始化赋空值self.tail=Noneself.size=0def isnotempty(self):   #判断队列是否为空if(self.head):      #队列非空返回1return 1else:               #队列为空返回0return 0def insert(self,node):  #插入一个新节点 尾插node.next=Noneif(self.head==None):#队列为空插入新节点self.head=nodeelse:               #队列非空插入新节点self.tail.next=nodeself.tail=nodeself.size+=1        def remove(self):       #将节点从队列取出 同时移出当前队列node=self.head#self.size-=1self.head=self.head.nextif self.isnotempty()==0 :self.tail=Nonereturn nodedef go():readyqueue=queue()runningProcess=queue()waitingqueue=queue()pid0=PCB('PID0')pid1=PCB('PID1')pid2=PCB('PID2')pid3=PCB('PID3') pid4=PCB('PID4')pid5=PCB('PID5')pid0.instruction=['io','cpu','cpu','io','cpu']pid1.instruction=['cpu','io','cpu']pid2.instruction=['io','cpu','cpu','io','io']pid3.instruction=['io','cpu','io']pid4.instruction=['cpu','io','cpu','io']pid5.instruction=['cpu','cpu','cpu','io']readyqueue.insert(pid0)readyqueue.insert(pid1)readyqueue.insert(pid2)readyqueue.insert(pid3)readyqueue.insert(pid4)readyqueue.insert(pid5)time=0cputime=0iotime=0print('Time   ',pid0.id,'      ',pid1.id,'      ',pid2.id,'      ',pid3.id,'      ',pid4.id,'      ',pid5.id,'      ','CPU     IOs')while readyqueue.isnotempty() or runningProcess.isnotempty() or waitingqueue.isnotempty():usecpu=0useio=0if runningProcess.isnotempty():rh=runningProcess.headif len(rh.instruction)==0:rh.state='done'runningProcess.remove()if waitingqueue.isnotempty():wh=waitingqueue.headwhile wh!=None:wh.state='waiting'wh.waitingtime-=1wh=wh.nextwh=waitingqueue.headwhile wh!=None:if wh.waitingtime==-1:if len(wh.instruction):if runningProcess.isnotempty()==0:runningProcess.insert(waitingqueue.remove())else:readyqueue.insert(waitingqueue.remove())else:wh.state='done'waitingqueue.remove()wh=wh.nextuseio=waitingqueue.sizeif readyqueue.isnotempty():reh=readyqueue.headwhile reh!=None :reh.state='ready'reh=reh.nextif runningProcess.isnotempty()==0 and readyqueue.isnotempty():runningProcess.insert(readyqueue.remove())if runningProcess.isnotempty():rh=runningProcess.headif len(rh.instruction):order=rh.instruction[0]if order=='cpu' :rh.state='run:cpu'del rh.instruction[0]usecpu+=1elif order=='io' :rh.state='run:io'rh.waitingtime=4del rh.instruction[0]waitingqueue.insert(runningProcess.remove())usecpu+=1else:rh.state='done'runningProcess.remove()time+=1print(time,' ',pid0.state,' ',pid1.state,' ',pid2.state,' ',pid3.state,' ',pid4.state,' ',pid5.state,' ',usecpu,' ',useio,sep='\t')if usecpu!=0 :cputime+=1if useio!=0 :iotime+=1print('Stats: Total Time ',time)print('Stats: CPU Busy ',cputime,' (',cputime/time*100,'% )')print('Stats: IO Busy ',iotime,' (',iotime/time*100,'% )')
if __name__=='__main__':go()

四、实验结果

管理实验结果如下图所示，其中Time表示时间片，PID0=PID5表示6个进程，其中ready表示进程处于就绪态，run:cpu表示当前正在运行cpu指令，run:io表示正在进行io指令，此时会占用一个时间片的cpu，之后会继续进行三个时间片的阻塞，即waiting状态，done表示此进程指令已经全部执行完成。由于本实验是单处理机，所以CPU这一列表示此时间片是否占用cpu，包括run:io和run:cpu，1表示有cpu被占用，0表示没有cpu被占用。IOs表示此时间片被占用io数量，为0表示无waiting，由于阻塞可以多个进程同时进行，所以其他数字即表示当前时间片waiting总数。Total Time表示总时间片个数，图中表示为执行本程序共用29个时间片，CPU Busy表示占用cpu的时间，图中表示cpu占用24个时间片，后面括号内数字为占用cpu时间与运行程序总时间的比，这里为24/29所得，IO Busy表示占用io的总时间，这里27表示有27个时间片使用了io，后面的百分比是使用io时间与总时间的比，这里是27/29。

五、小结
这里我模拟了操作系统对进程的管理，实现了进程之间的切换，我们应该对操作系统的进程管理有一定的了解，了解进程是如何调度的，如何执行的。这里通过readyqueue、runningProcess、waitingqueue三个队列来管理进程，通过出队入队等操作将进程作为节点在不同队列上切换，并根据不同进程当前指令判断，这样就实现了进程状态的转换，需要要理解操作系统后台对进程是如何进行调度的，操作系统会按照一定逻辑来完成调度，在这里我按照自己的理解来设计，实现了多进程的并发执行，这就需要一定的调度机制，初始时，所有进程均放入就绪队列，然后会从就绪队列取出第一个进程放入执行队列，判断此进程第一个指令是哪种，是cpu指令则执行run:cpu,此时cpu将处于忙碌状态，且由于是单cpu，同一时刻只能有一个进程占用cpu，若是io则执行run:io,此时也会占用cpu，在之后需要将其放入阻塞队列，执行三次waiting，才可以被放回就绪队列，然后还会从就绪队列取进程，如此往复，直到redyqueue和waitingqueue全为空，即所有进程的所有指令都进行完毕，程序结束。

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