基于C# winform的操作系统课程设计:SPOOLING假脱机输入输出技术模拟。

要求设计一个SPOOLING输出进程和两个请求输出的用户进程,以及一个SPOOLING输出服务程序。当请求输出的用户进程希望输出一系列信息时,调用输出服务程序,由输出服务程序将该信息送入输出井。待遇到一个输出结束标志时,表示进程该次的输出文件输出结束。之后,申请一个输出请求块(用来记录请求输出的用户进程的名字、信息在输出井中的位置、要输出信息的长度等),等待SPOOLING进程进行输出。

SPOOLING输出进程工作时,根据请求块记录的各进程要输出的信息,将其实际输出到打印机或显示器。这里,SP00LING输出进程与请求输出的用户进程可并发运行。

进程调度采用随机算法,这与进程输出信息的随机性相一致。两个请求输出的用户进程的调度概率各为45%,SPOOLING输出进程为10%,这由随机数发生器产生的随机数来模拟决定。

进程基本状态有3种,分别为可执行、等待和结束。可执行态就是进程正在运行或等待调度的状态;等待状态又分为等待状态1、等待状态2和等待状态3。

状态变化的条件为:

1进程执行完成时,置为"结束"态。

2服务程序在将输出信息送输出井时,如发现输出井已满,将调用进程置为"等待状态1"。

3SPOOLING进程在进行输出时,若输出井空,则进入"等待状态2"。

4SPOOLING进程输出一个信息块后,应立即释放该信息块所占的输出井空间,并将正在等待输出的进程置为"可执行状态"。

5服务程序在输出信息到输出井并形成输出请求信息块后,若SPOOLING进程处于等待态,则将其置为"可执行状态"。

6当用户进程申请请求输出块时,若没有可用请求块时,调用进程进入"等待状态3"。

系统中一共有两个请求输出的用户进程,两个进程分别命名为用户进程A和用户进程B。用户需要输出的文件可能不止一个,文件之间由一个输出结束标志隔开,本文实验采用的文件输出结束标志为#号。

用户需要在初始化阶段输入要进行输出的全部文件内容,然后存进一个数组中。在用户进程被调度时,如果满足以下三个条件:当前还有文件没有被输出、输出井中剩余空间能够放下该文件、有可用的输出请求块,就将该文件送到输出井,然后申请一个输出请求块,加入请求块等待队列,等待SPOOLING输出进程进行调度输出。

轮到SPOOLING输出进程占用CPU时,SPOOLING输出进程首先检查请求块等待队列中是否有输出块需要输出,没有就进入等待状态。否则,进行输出,然后释放输出井空间以及相应的请求输出块,并唤醒因为没有可用输出块而陷入沉睡的用户进程。

SPOOLING输出进程与用户进程可以并发执行。本文将进程的一次执行过程(执行后进程不一定结束)抽象成一个函数,每次先产生一个随机数,根据随机数执行某一进程,如果该进程因为某些情况被阻塞,则产生下一个随机数,调度另外的进程。用户进程和SPOOLING输出进程因为各种原因被轮流调度,即为并发执行。

整个系统的功能分为以下几个部分:初始化函数、调度函数、用户进程函数、SPOOLING输出函数。初始化函数用于实现用户文件的初始输入与保存;调度函数实现用户进程和SPOOLING输出进程间的切换;用户进程函数实现进程被调度后所完成的一系列动作;SPOOLING输出函数表示输出操作。

系统运行总的流程图如图1所示:

在这里插入图片描述

系统首先利用初始化函数对用户输入的内容进行初始化,然后产生一个0到1之间的随机数R,根据R的大小判断当前应该执行用户进程还是输出进程。等用户进程和输出进程都执行完毕后,程序运行结束,否则继续进行调度。

用户需要输入自己想要"打印"的内容,初始化函数接受用户输入的内容后按照文件结束符进行切割,并将切割好的文件放入一个数组中,等用户进程被调度时再将其送往输出井中。

进程调度采用随机算法,两个请求输出的用户进程的调度概率各为45%,SPOOLING输出进程为10%,本文采用随机数来实现这一要求。进行进程调度时,随机生成一个0到1之间的小数。如果该数小于等于0.45就将用户进程A投入运行;如果该数处于0.45到0.9之间,就将用户进程B投入运行;如果该数大于0.9,就将SPOOLING输出进程投入运行。

用户进程函数首先需要检查当前进程是否满足三个条件:还有文件没有被输出、输出井中剩余空间能够放下该文件、有可用的输出请求块,满足三个条件就将该文件送到输出井并申请相应请求块。

用户进程函数执行的流程图如图2所示:

在这里插入图片描述

用户进程执行时,如果发现文件已经输出完毕,则进程运行结束。否则判断输出井是否有剩余空间,无进入等待状态1。输出井有剩余空间继续判断是否有可用输出块,有就将文件送往输出井并请求一个输出块,并唤醒可能沉睡的输出进程,否则进入等待状态3。

SPOOLING输出函数检查是否有可输出的请求块,有则进行输出并释放相关资源,否则SPOOLING输出进程等待。

SPOOLING输出函数的流程图如图3所示:

在这里插入图片描述

PCB的定义如下:

class PCB {
   /*
   * 进程描述
   */
   public int id; //序号
   public int status;  //状态,0表示可执行,123表示三个等待状态,4表示结束
   public string[] contents = new string[MaxFileCount]; //要输出的内容
   public int[] flags = new int[MaxFileCount]; //为1表示该文件已经被输出,初始全部为0
   public int fileCount; //用户真实输入的文件个数
}

用户进程中包括序号id、进程状态status、要输出的内容contents、文件输出标志flags以及真实文件个数fileCount。

其中,用户进程可能存在的进程状态有:0表示可执行状态、1表示等待状态1、3表示等待状态3、4表示进程结束。

OutPutReqBlock定义如下:

class OutputReqBlock {
   /*
   * 输出请求块
   */
   public int id; //要求进行输出的进程的id
   public int start; //文件在输出井中的起始位置
   public int length; //文件长度
   public int fileIndex; //要输出文件的序号
   public OutputReqBlock(int id, int start, int length, int fileIndex) {
       this.id = id;
       this.start = start;
       this.length = length;
       this.fileIndex = fileIndex;
  }
}

请求输出块中包括:请求该请求块的进程id,文件在输出井中的起始位置start、文件长度length、要输出的文件在用户所有文件中的序号。

OutputWell的定义如下:

class OutputWell {
   /*
    * 输出井
    */
    public char[] buffer = new char[MaxWellLen]; //输出缓冲区
    public int begin = 0;  //当前可用位置
    public int restSize = MaxWellLen; //剩余容量
}

输出井的参数有:缓冲区buffer,用于存放用户放入的数据;当前可用位置begin,文件在输出井中按顺序存放,begin始终指向当前可用缓冲区的起始位置;剩余容量restSize,缓冲区中剩余的容量,初始时为缓冲区长度MaxWellLen。

用户在文本框中输入要"打印"的信息,然后选择输出内容属于哪一个进程(A or B),最后点击初始化按钮,即可启动初始化函数。初始化函数首先利用一个string对象存储用户输入的内容。随后,检查用户输入的内容是否以#号结尾,不合法则提示用户重新输入。输入合法后,将用户输入的内容按#号进行切割,切割形成多个字符串,最后利用生成的各项信息初始化一个PCB对象,放入等待队列waitQueue中。

由于用户可能多次点击初始化按钮,所以每次点击前需要判断当前进程是否已经初始化完成,如果已经初始化完成用户却再次点击初始化按钮,则会覆盖原来的内容。

输出井在系统界面进行加载时自动初始化。

初始化函数代码略!

为了实现随机性,每次要进行调度时,就利用C#的Random函数生成一个0到1之间的随机数。如果该随机数小于等于0.45表示接下来要调度用户进程A;如果该随机数处于0.45到0.9之间表示接下来要调度用户进程B;如果该随机数大于0.9表示接下来要调度SPOOLING输出进程。

调度函数的实现如下:

private int dispatch() {
   /*
    * 进程调度
    */
    double res = rd.NextDouble(); //产生一个01之间的小数
    if(res <= 0.45) {
      return 0;
    }else if(res <= 0.9) {
      return 1;
    }else {
      return 2;  //012分别表示两个进程和SPOOLing输出进程
  }
}

用于实现用户进程运行时所进行的一系列操作。

用户进程被调度时,首先检查是否还有文件未送到输出井,没有则置当前用户进程为结束状态,函数返回。

用户进程尚未结束,说明还有文件未被送入输出井。循环查找一个尚未输出的文件块(相应flag标志为1),接着查询输出井中的剩余空间是否还能放下此文件块,如果不能,将进程状态置为等待状态1,函数返回。若还有剩余空间,接着检查是否还有可用的请求输出块,如果没有将进程置为等待状态3,函数返回。否则将文件块送入输出井并修改输出井相关参数,然后申请一个请求输出块,放入输出队列printQueue中,等待SPOOLING输出进程被调度时进行打印输出。最后,如果SPOOLING输出进程处于等待状态,该用户进程需要将其唤醒。

用户进程函数运行时的各种情况通过一个列表进行保存,用于最后的结果展示。列表内容包括:当前调度序号、进程号、进程状态、输出井状态、可用请求块个数、文件序号、文件长度。

用户进程函数代码略!

输出函数的功能是选择一个请求输出块,然后对其中的内容进行输出,最后释放掉相应资源。

首先检查输出井是否为空,空就置输出进程为等待状态2,函数返回。否则检查请求输出队列中是否有需要输出的请求输出块,没有函数返回。否则从请求输出队列中取出队首的请求输出块,然后输出请求块,并释放相应的输出井空间和请求块。

输出函数进行输出时,要将输出内容显示到文件输出区域。

输出函数代码略!

用户点击"程序运行"按钮后开始运行主函数,主函数中根据当前情况来动态调整运行的进程。

主函数首先判断两个用户进程是否都已经初始化完毕,初始化完毕才能运行,否则提示出错。

初始化完毕后再次点击"程序运行"按钮,只要有一个进程未处于结束状态,或者有一个请求块尚未被输出,则继续调度。调度时要判断当前进程是否已经结束,结束就输出相关状态。

主函数代码略!

实验中用到的各种参数说明如表1所示:

系统界面如图4所示:

在这里插入图片描述

系统界面分为三个版块:初始化、调度过程以及文件输出区。初始化版块包含一个文本框、一个选择框、一个按钮,用户在文本框中输入需要打印的文件,然后进行初始化。调度过程版块主要为一个表格,用于展示进程调度的详细过程。文件输出区版块用于展示所有文件的打印过程。

用户首先选择一个进程,初始默认为A,随后将要输出的文件放入初始化版块的文本框中,然后点击初始化按钮,初始化成功,如图5所示:

在这里插入图片描述

对于进程B同进行上述操作,如图6所示:

在这里插入图片描述

两个用户进程初始化完成后,点击程序运行按钮,结果展示如图7和图8所示:

在这里插入图片描述

下面对图7内容做简单分析。如图9所示:

在这里插入图片描述

第1次调度了输出进程,因为此时输出井空,所以输出进程状态为等待状态2,此时可用请求块个数为3。第2次调度进程A,进程A状态为可执行,可用请求块个数为3,A将文件0送到输出井,文件0("abcd")长度为4。第3次调度输出进程,输出井可用空间为15-4=11,可用请求块个数变为2,输出A进程的文件0,如文件输出区所示,并释放相关空间。