postgraduate-prep/experiment

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、HRRN、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
    ├── hrrn.py       # 高响应比优先调度
    └── 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 $AT_i$，完成时间为 $CT_i$，服务时间为 $BT_i$，首次运行时间为 $ST_i$：

周转时间 (Turnaround Time)

TAT_i = CT_i - AT_i

定义：进程从提交到完成的总时间

含义：衡量进程在系统中停留的总时长，包括等待时间和实际运行时间

带权周转时间 (Weighted Turnaround Time)

WTAT_i = \frac{TAT_i}{BT_i}

定义：周转时间与服务时间的比值

含义：衡量进程的相对延迟，比值越大说明等待时间相对于服务时间越长

• $WTAT_i = 1$：理想情况，无额外等待
• $WTAT_i > 1$：存在等待时间
• WTAT_i 越小越好

等待时间 (Waiting Time)

WT_i = TAT_i - BT_i = (CT_i - AT_i) - BT_i

定义：进程在就绪队列中等待的时间总和

含义：不包含实际运行时间，只计算等待 CPU 的时间

响应时间 (Response Time)

RT_i = ST_i - AT_i

定义：从提交到首次运行的时间

含义：用户感受到的"启动延迟"，对于交互系统尤为重要

性能指标总结

指标	公式	优化目标	适用场景
周转时间	CT - AT	越小越好	批处理系统
带权周转时间	(CT-AT)/BT	越小越好	公平性评估
等待时间	TAT - BT	越小越好	调度算法比较
响应时间	ST - AT	越小越好	交互系统

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}}

HRRN 响应比

R = \frac{\text{等待时间} + \text{服务时间}}{\text{服务时间}} = 1 + \frac{WT}{BT}

特点：

• 非抢占式
• 综合考虑等待时间和服务时间
• 避免长作业饥饿（等待时间越长，响应比越高）

算法对比

算法	类型	优点	缺点
FCFS	非抢占	简单、公平	平均等待时间长
SJF	非抢占/抢占	平均等待时间最优	长作业饥饿
HRRN	非抢占	避免长作业饥饿	开销较大
RR	抢占	响应时间短、公平	开销较大
优先级	抢占/非抢占	可控性强	低优先级饥饿
MLFQ	抢占	综合性能好	实现复杂

运行方式

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）