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、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

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）