# 进程调度算法实验

## 实验目的

1. 理解进程调度的基本概念和原理
2. 掌握 FCFS、SJF、RR、优先级调度、MLFQ 等算法
3. 通过模拟实验比较各算法的性能指标

## 实验环境

- Python 3.x

## 文件结构

```
experiment/
├── README.md     # 实验文档
└── code/         # 代码目录
    ├── base.py       # 基础类：Process, ProcessScheduler
    ├── main.py       # 主程序入口
    ├── fcfs.py       # 先来先服务调度
    ├── sjf.py        # 短作业优先调度 (含 SRTF)
    ├── rr.py         # 时间片轮转调度
    ├── priority.py   # 优先级调度
    └── mlfq.py       # 多级反馈队列调度
```

## 性能指标

设进程 $P_i$ 的到达时间为 $AT_i$，服务时间为 $BT_i$：

$$
\text{周转时间} = CT_i - AT_i
$$

$$
\text{等待时间} = WT_i = TAT_i - BT_i
$$

$$
\text{响应时间} = RT_i = \text{首次运行时间} - AT_i
$$

## 算法公式

### FCFS 周转时间

$$
TAT_i = \sum_{j=1}^{i} BT_j - AT_i \quad (AT_i \leq AT_{i+1})
$$

### SJF 平均等待时间最小化

$$
\min \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} WT_i
$$

### RR 吞吐量

$$
\text{吞吐量} = \frac{n}{T_{\text{总}}} \quad \text{其中 } T_{\text{总}} = CT_{\text{max}} - AT_{\text{min}}
$$

## 运行方式

```bash
cd code

# 使用演示数据（5个进程）
python main.py --demo

# 生成随机测试数据（默认5个进程，种子42）
python main.py

# 生成100个随机进程
python main.py -n 100

# 固定种子，生成1000个进程（可复现）
python main.py -n 1000 -s 42

# 自定义参数范围
python main.py -n 50 --arrival 0,100 --burst 5,50 --priority 1,5

# 运行指定算法
python main.py -n 20 -a FCFS,SJF,RR

# 每次运行使用不同随机数据
python main.py -n 20 -s -1
```

### 命令行参数说明

| 参数 | 说明 | 默认值 |
|------|------|--------|
| `-n, --num` | 进程数量 | 5 |
| `-s, --seed` | 随机种子 | 42（固定） |
| `-a, --algo` | 运行的算法 | 全部 |
| `--demo` | 使用预设演示数据 | False |
| `--arrival` | 到达时间范围 | 0,50 |
| `--burst` | 服务时间范围 | 1,20 |
| `--priority` | 优先级范围 | 1,10 |

### 预设演示数据

| PID | 到达时间 | 服务时间 | 优先级 |
|-----|----------|----------|--------|
| P1  | 0        | 7        | 3      |
| P2  | 2        | 4        | 1      |
| P3  | 4        | 1        | 4      |
| P4  | 5        | 4        | 2      |
| P5  | 6        | 2        | 3      |

## 思考题

1. 分析 FCFS 和 SJF 各自的优缺点
2. 为什么说 SJF 可以获得最短的平均等待时间？
3. RR 算法中，时间片大小对系统性能有何影响？
4. 多级反馈队列如何解决"长作业饥饿"问题？
5. 如何证明某种调度算法是最优的？

## 参考资料

- 操作系统概念（Abraham Silberschatz）
- 现代操作系统（Andrew S. Tanenbaum）