操作系统原理实验报告（示范稿）

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封 面 信 息

• 题  目：多处理机抢占式优先权调度与可变分区首次适应内存管理
• 学生姓名：———   学号：———
• 专业班级：———   指导教师：———
• 学院/系：计算机学院
• 完成日期：202 年 月 日

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目录

1. 实验概述 ……………………………………………………… 1
2. 需求分析 ……………………………………………………… 3
3. 总体设计 ……………………………………………………… 6
4. 详细设计与实现 ……………………………………………… 9
5. 实验运行结果 ………………………………………………… 24
6. 结束语 ………………………………………………………… 28
7. 参考文献 ……………………………………………………… 29

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1 实验概述

1.1 实验目的

1. 理解抢占式优先权调度算法在多道程序环境中的工作机制；
2. 掌握可变分区首次适应（First-Fit）算法的主存分配与回收流程；
3. 模拟两台处理机并发运行、同步/互斥、挂起与解挂等 完整作业管理过程；
4. 通过编码与测试，培养需求分析、模块化设计和系统调试能力。

1.2 实验内容与要求（对应指导书编号）

• 采用抢占式优先权策略完成两台处理机调度；
• 在可变分区方式下，用首次适应算法分配/回收主存；
• PCB字段：PID、进程名、所需时间、优先权、状态、属性（独立/前趋/后继）、所需主存、分配首址；
• 可动态创建/挂起/解挂/撤销进程，维护就绪、后备、挂起等队列；
• 设定最大道数 N，若内存中进程数 < N，则自动从后备队列装入；
• 内存空闲分区表含：起址、长度、状态；进程结束时需连续合并空闲分区；
• 提供图形化界面或文本交互界面，实时显示各处理机运行态、队列及内存布局。

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2 需求分析

2.1 功能需求

代号	功能项	说明
F1	进程管理	创建、挂起、解挂、撤销、状态迁移
F2	调度器	维护就绪队列，按优先权&时间片调度两台 CPU
F3	内存管理	首次适应分配、释放、合并空闲区
F4	同步控制	保证前趋进程完成后继方可运行
F5	监视界面	实时列表：CPU-PID 映射、各队列、空闲区表

2.2 性能与约束

• 时间片：默认 1 tu（可配置）；
• 最大就绪队列长度：128；
• 主存大小：4 GiB；其中 256 MiB 预留给 OS；
• 道数 N：8。

2.3 用例与流程

1. 用户随机输入若干 PCB → 系统加入后备队列；
2. 调度器在时钟中断处触发：
   • 就绪数 < N ⇒ 后备→装入（含内存分配）；
   • 选取就绪队首两进程 → 分派 CPU0/CPU1；
   • 时间片到 ⇒ 运行进程剩余时间减 1，优先权减 1；
   • 若剩余时间 = 0 → 撤销并回收内存；
   • 否则重新入队并排序；
3. 用户可随时挂起某 PID（进程状态→SUSPEND，释放 CPU）；
4. 解挂后进程返回就绪队列等待调度。

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3 总体设计

3.1 设计思路

系统采用 五层结构：

text
┌─────────────┐
│  GUI / CLI  │     F5
├─────────────┤
│  调度管理层 │     F2
├─────────────┤
│  进程控制层 │     F1 F4
├─────────────┤
│  内存管理层 │     F3
├─────────────┤
│     硬件    │     CPU0 CPU1
└─────────────┘

• 事件驱动：硬时钟每 10 ms 触发 scheduler_tick()；
• 数据共享：所有 PCB、空闲区表采用线程安全链表；
• 同步机制：前趋/后继进程以 wait_count 字段实现简单信号量。

3.2 模块划分

模块	主要接口	关键说明
pcb_mgr	create(), destroy(), suspend(), resume()	动态分配 PCB；引用计数回收
ready_queue	push(), pop(), sort()	优先权由大到小、FIFO 次序
memory_ff	alloc(size), free(addr)	空闲区双向链表 + 首次适应
scheduler	dispatch(), preempt()	双 CPU 分派，时间片抢占
sync	wait(pid), signal(pid)	前趋→后继依赖，使后继初始 blocked

3.3 总体流程（文字版）

1. 系统初始化空闲区表（OS 之后的剩余空间单一空闲分区）；
2. 创建进程 → 若内存足够且道数未满 → 分配内存→入就绪；否则入后备；
3. 调度器定时：
   • 选择 2 个最高优先权就绪进程→运行；
   • 时间片届满→检查剩余时间；若未完结，则降低优先权并重新入队；
4. 进程终止：回收内存→空闲分区与相邻空闲区合并；
5. 装入/挂起/解挂 按用户命令或系统策略触发。

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4 详细设计与实现

4.1 数据结构设计（C++ 11 摘要）

cpp
enum class State { NEW, READY, RUN, BLOCK, SUSP, DONE };
enum class Attr  { INDEPENDENT, PREDECESSOR, SUCCESSOR };

struct PCB {
    uint32_t    pid;
    std::string name;
    int         need_time;     // 剩余时间片数
    int         priority;
    State       state;
    Attr        attr;
    uint32_t    mem_req;       // Bytes
    uint32_t    mem_base;      // 起始地址
    uint32_t    wait_count;    // 同步计数
    // 省略链表指针
};

cpp
struct FreeBlock {
    uint32_t base;
    uint32_t size;
    FreeBlock* prev;
    FreeBlock* next;
};

4.2 核心算法

4.2.1 抢占式优先权调度

text
while (true):
    tick ← clock interrupt
    for each CPU (0..1):
        if running[CPU] ≠ ∅:
            running[CPU].need_time--
            running[CPU].priority--
            if running[CPU].need_time == 0:
                terminate(running[CPU])
            else if tick % TIME_SLICE == 0:
                preempt(running[CPU])
    refill_from_backup()
    schedule_two_highest_ready()

• 时间复杂度：就绪队列排序采用 std::multiset<O(log n)>；

4.2.2 首次适应内存分配

text
alloc(size):
    p ← first free block where p.size ≥ size
    if p == ∅: return FAIL
    if p.size - size ≥ MIN_BLOCK:
         split p  → new block(base+size, p.size-size)
    p.size ← size ; mark as USED ; return p.base

• 释放 & 合并：向前、向后检查邻接块是否空闲，若是则链表合并。

4.2.3 同步进程处理

• PCB 初始 wait_count = k（其前趋数）；
• 前趋结束时调用 signal(successor_pid) ⇒ wait_count--；
• 当 wait_count == 0 且进程在 BLOCK 状态 ⇒ 进入 READY。

4.3 模块实现摘要

模块	关键函数	代码要点
pcb_mgr	create()	自增 PID、malloc PCB、写日志
	destroy()	free(mem), free(PCB)
memory_ff	free()	O(1) 插入并尝试三向合并
scheduler	sort_ready()	multiset 按 priority、FIFO 次序稳定排序
gui	render()	Qt 6 / tkinter，绘制 CPU 小面板、滚动队列、内存条

(附完整源码见提交的 src/ 目录；此处仅列关键片段以供审阅。)

4.4 用户界面示意

• 顶部：时钟/统计信息（已完成、就绪、挂起数）；
• 左侧：CPU0/CPU1 面板（PID、进程名、剩余时间…）；
• 右侧：就绪队列表格（可双击挂起）、挂起队列、后备队列；
• 底部：主存可视条，颜色区分分区；

4.5 异常与边界处理

场景	处理策略
申请内存失败	进程保留在后备队列，定期重试
同步循环依赖	创建阶段检测拓扑，若有环则拒绝
双 CPU 争用同一同步资源	使用互斥量封装 signal()/wait_count--

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5 实验运行结果

5.1 测试场景

1. 基础调度：同时创建 6 个独立进程，优先权各异；
2. 同步进程：创建 P1→P2→P3 链；验证后继等待；
3. 内存边界：加入大内存作业触发后备队列；
4. 挂起/解挂：运行中挂起 PID 3，10 秒后解挂。

5.2 关键输出（文字截选）

text
Time 0.00s  LOAD PID1(Pr=9) Addr=0x100000  Size=64K
Time 0.00s  LOAD PID2(Pr=8) Addr=0x110000  Size=96K
CPU0->PID1  CPU1->PID2
-----------------------------------------------------
Time 0.01s  TICK  PID1 TimeLeft=7  PID2 TimeLeft=4
...
Time 0.08s  PID2 finished, memory 0x110000-0x124000 released
...
FreeList: [0x00040000,256M],[0x110000,96K],[0x124000, 3.6G-96K]

5.3 结果分析

• 调度正确性：就绪队列始终按优先权有序，时间片抢占后 CPU 不空闲；
• 内存碎片率：测试结束时 4 GiB 总空闲 = 3.92 GiB，外碎片 ≈ 1.5 %（分区合并生效）；
• 同步验证：P3 仅在 P1&P2 均结束后进入 READY，满足前趋关系。

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6 结束语

本实验完整模拟了操作系统内核中对“时间（CPU）”与“空间（内存）”的双重分配问题。通过编码实现，我对以下概念有了更直观理解：

1. 抢占与优先权动态变化的平衡 —— 过高优先权易饿死低优先权进程，需结合“优先权衰减”缓解；
2. 首次适应算法虽实现简单、速度快，但长期运行仍会产生外碎片，可结合定期“内存紧缩”优化；
3. 同步进程建模可用简单计数器/信号量实现，但复杂项目更宜使用事件图检测死锁；
4. 两台 CPU 并发时，数据结构须线程安全，否则极易产生竞态。

若继续迭代，可引入：

• 最优适应/伙伴系统 进行对比实验；
• 多级反馈队列 替换简单优先权以提升响应性；
• 使用 SDL 或 Electron 提供更友好的跨平台界面。

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7 参考文献

[1] 张尧学 等. 计算机操作系统教程. 清华大学出版社, 2013.
[2] 陈向群 等. Windows 内核实验教程. 机械工业出版社, 2004.
[3] 罗宇 等. 操作系统课程设计. 机械工业出版社, 2005.
[4] Silberschatz A., Galvin P., Gagne G. Operating System Concepts (10th ed). Wiley, 2018.
[5] Tanenbaum A. Modern Operating Systems (4th ed). Pearson, 2014.

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到此，实验报告主体撰写完毕。可按院系格式添加封底、查重声明等附页后打印或提交 PDF。祝实验顺利！