磁盘调度算法实验报告.docx
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磁盘调度算法实验报告
操作系统
实验报告
课程名称
操作系统实验
课程编号
0906553
实验项目名称
磁盘调度算法
学号
年级
专业
计算机科学与技术
学生所在学院
计算机科学与技术学院
指导教师
实验室名称地点
工程大学
计算机科学与技术学院
磁盘调度算法
一.实验概述:
1.实验名称:
磁盘调度算法
2.实验目的:
1)通过学习EOS实现磁盘调度算法的机制,掌握磁盘调度算法执行的条件和时机;
2)观察EOS实现的FCFS、SSTF和SCAN磁盘调度算法,了解常用的磁盘调度算法;
3)编写CSCAN和N-Step-SCAN磁盘调度算法,加深对各种扫描算法的理解。
3.实验类型:
验证、设计
4.实验容:
1)准备实验,创建一个EOSKernel项目;
2)验证先来先服务(FCFS)磁盘调度算法;
3)验证最短寻道时间优先(SSTF)磁盘调度算法;
4)验证SSTF算法造成的线程“饥饿现象”;
5)验证扫描(SCAN)磁盘调度算法;
6)改写SCAN算法;
7)编写循环扫描(CSCAN)磁盘调度算法;
8)验证SSTF、SCAN及CSCAN算法中的“磁臂粘着”现象;
9)编写N-Step-SCAN磁盘调度算法。
二.实验环境
操作系统:
windowsXP
编译器:
TevalatonOSLab
语言:
C
三.实验过程
1.设计思路和流程图:
SCAN算法流程图:
SSTF算法的流程图:
CSACN流程图:
有向移动的线程?
YESNO
N-STEP-SCAN算法调度:
2.实验过程:
1)新建一个EOSKernel项目;
2)在sysproc.c文件中找到控制台命令“ds”对应的函数ConsoleCmdDiskSchedule。
“ds”命令专门用来测试磁盘调度算法。
阅读该函数中的源代码,目前该函数使磁头初始停留在磁道10,其它被阻塞的线程依次访问磁道8、21、9、78、0、41、10、67、12、10;
3)打开io/block.c文件,在第378行找到磁盘调度算法函数IopDiskSchedule。
阅读该函数中的源代码,目前此函数实现了FCFS磁盘调度算法,流程图如下:
4)生成项目,启动调试,待EOS启动完毕,在EOS控制台中输入命令“ds”后按回车;
在EOS控制台中会首先显示磁头的起始位置是10磁道,然后按照线程被阻塞的顺序依次显示线程的信息(包括线程ID和访问的磁道号)。
磁盘调度算法执行的过程中,在OSLab的“输出”窗口中也会首先显示磁头的起始位置,然后按照线程被唤醒的顺序依次显示线程信息(包括线程ID、访问的磁道号、磁头移动的距离和方向),并在磁盘调度结束后显示此次调度的统计信息(包括总寻道数、寻道次数和平均寻道数)。
对比EOS控制台和“输出”窗口中的容,可以发现FCFS算法是根据线程访问磁盘的先后顺序进行调度的。
下图显示了本次调度执行时磁头移动的轨迹:
5)打开sstf.c文件,该文件提供的IopDiskSchedule函数实现了SSTF磁盘调度算法,其中应注意:
①变量Offset是有符号的长整型,用来表示磁头的偏移(包括距离和方向)。
Offset大于0时表示磁头向移动(磁道号增加);小于0时表示磁头向外移动(磁道号减少);等于0时表示磁头没有移动。
而名称以“Distance”结尾的变量都是无符号长整型,只表示磁头移动的距离(无方向)。
所以在比较磁头的偏移和距离时,或者在将偏移赋值给距离时,都要取偏移的绝对值(调用C库函数abs)。
本实验在实现其它磁盘调度算法时也同样遵守此约定;
②在开始遍历之前,将最小距离(ShortestDistance)初始化为最大的无符号长整型数,这样,第一次计算的距离一定会小于最小距离,从而可以使用第一次计算的距离来再次初始化最小距离。
本实验在实现其它磁盘调度算法时也同样使用了此技巧。
6)生成项目,启动调试,待EOS启动完毕,在EOS控制台中输入命令“ds”后按回车;
对比EOS控制台和“输出”窗口中的容(特别是线程ID的顺序),可以发现,SSTF算法唤醒线程的顺序与线程被阻塞的顺序是不同的。
图18-4显示了本次调度执行时磁头移动的轨迹。
对比SSTF算法与FCFS算法在“输出”窗口中的容,可以看出,SSTF算法的平均寻道数明显低于FCFS算法。
7)验证SSTF算法造成的线程“饥饿现象”,使用SSTF算法时,如果不断有新线程要求访问磁盘,而且其所要访问的磁道与当前磁头所在磁道的距离较近,这些新线程的请求必然会被优先满足,而等待队列中一些老线程的请求就会被严重推迟,从而使老线程出现“饥饿”现象。
8)修改sysproc.c文件ConsoleCmdDiskSchedule函数中的源代码,仍然使磁头初始停留在磁道10,而让其它线程依次访问磁道78、21、9、8、11、41、10、67、12、10,生成项目,启动调试,待EOS启动完毕,在EOS控制台中输入命令“ds”后按回车;
查看“输出”窗口中显示的容,可以发现,虽然访问78号磁道的线程的请求第一个被放入请求队列,但却被推迟到最后才被处理,出现了“饥饿”现象。
如果不断有新线程的请求到达并被优先满足,则访问78号磁道的线程的“饥饿”情况就会更加严重;
修改访问磁道顺序:
修改后执行“ds”命令的结果:
多次输入“ds”命令:
9)对SSTF算法稍加改进后可以形成SCAN算法,可防止老线程出现“饥饿”现象。
打开scan.c文件,该文件提供的IopDiskSchedule函数实现了SCAN磁盘调度算法。
其中应注意下面几点:
①在block.c文件中的第374行定义了一个布尔类型的全局变量ScanInside,用于表示扫描算法中磁头移动的方向。
该变量值为TRUE时表示磁头向移动(磁道号增加);值为FALSE时表示磁头向外移动(磁道号减少)。
该变量初始化为TRUE,表示SCAN算法第一次执行时,磁头向移动;
②在scan.c文件的IopDiskSchedule函数中使用了双重循环。
第一次遍历队列时,查找指定方向上移动距离最短的线程,如果在指定方向上已经没有线程,就变换方向,进行第二次遍历,同样是查找移动距离最短的线程。
在这两次遍历中一定能找到合适的线程。
10)使用scan.c文件中IopDiskSchedule函数的函数体,替换block.c文件中IopDiskSchedule函数的函数体,生成项目,启动调试,待EOS启动完毕,在EOS控制台中输入命令“ds”后按回车;
对比SCAN算法与SSTF算法在“输出”窗口中的容,可以看出,SCAN算法的平均寻道数有可能小于SSTF算法,所以说SSTF算法不能保证平均寻道数最少。
下图显示了本次调度执行时磁头移动的轨迹:
11)改写SCAN算法,算法提示:
①在一次遍历中,不再关心当前磁头移动的方向,而是同时找到两个方向上移动距离最短的线程所对应的请求,这样就不再需要遍历两次;
②在计算出线程要访问的磁道与当前磁头所在磁道的偏移后,可以将偏移分为三种类型:
偏移为0,表示线程要访问的磁道与当前磁头所在磁道相同,此情况应该优先被调度,可立即返回该线程对应的请求的指针;偏移大于0,记录向移动距离最短的线程对应的请求;偏移小于0,记录向外移动距离最短的线程对应的请求;
③循环结束后,根据当前磁头移动的方向选择同方向移动距离最短的线程,如果在同方向上没有线程,就变换方向,选择反方向移动距离最短的线程;
流程如下所示:
SCAN改写代码:
PREQUEST
IopDiskSchedule(
VOID
){
PLIST_ENTRYpListEntry;
PREQUESTpRequest;
PREQUESTINpNextRequest=NULL;
PREQUESTOUTpNextRequest=NULL;
LONGOffset;
ULONGInsideShortestDistance=0xFFFFFFFF;
ULONGOutsideShortestDistance=0xFFFFFFFF;
PREQUESTpNextRequest=NULL;
//需要遍历请求队列一次或两次
for(pListEntry=RequestListHead.Next;//请求队列中的第一个请链表头指向的下一个请求。
pListEntry!
=&RequestListHead;//遍历到请求队列头时结束循环。
pListEntry=pListEntry->Next){
//根据链表项获得请求的指针
pRequest=CONTAINING_RECORD(pListEntry,REQUEST,ListEntry);
//计算请求对应的线程所访问的磁道与当前磁头所在磁道的偏移(方向由正负表示)
Offset=pRequest->Cylinder-CurrentCylinder;
if(0==Offset){
//如果线程要访问的磁道与当前磁头所在磁道相同,可立即返回。
pNextRequest=pRequest;
gotoRETURN;
}elseif(Offset0){
//记录向移动距离最短的线程
InsideShortestDistance=Offset;
INpNextRequest=pRequest;
}elseif(-Offset//记录向外移动距离最短的线程
OutsideShortestDistance=-Offset;
OUTpNextRequest=pRequest;
}
}
//判断磁头移动方向,若向移动
if(ScanInside){
//判断是否有向移动的线程
if(INpNextRequest){
//有则原则该进程
returnINpNextRequest;
}
else{
//没有则修改磁头方向,选择向外移动距离最短的线程
ScanInside=!
ScanInside;
returnOUTpNextRequest;
}
}
//如果向外移动
else{
//判断是否有向外移动的线程
if(OUTpNextRequest){
//有则选择该进程
returnOUTpNextRequest;
}
else{
//没有则修改磁头的方向,选择向移动距离最短的线程
ScanInside=!
ScanInside;
returnINpNextRequest;
}
}
RETURN:
returnpNextRequest;
}
修改完SCAN算法后输入“ds”命令:
12)在已经完成的SCAN算法源代码的基础上进行改写,不再使用全局变量ScanInside确定磁头移动的方向,而是规定磁头只能从外向移动。
当磁头移动到最的被访问磁道时,磁头立即移动到最外的被访问磁道,即将最大磁道号紧接着最小磁道号构成循环,进行扫描。
由于磁头移动的方向被固定,也就不需要根据磁头移动的方向进行分类处理,所以CSCAN算法的源代码会较SCAN算法更加简单。
改写提示:
①由于规定了磁头只能从外向移动,所以在每次遍历中,总是同时找到向移动距离最短的线程和向外移动距离最长的线程。
注意,与SCAN算法查找向外移动距离最短线程不同,这里查找向外移动距离最长的线程。
在开始遍历前,可以将用来记录向外移动最长距离的变量赋值为0;
②在计算出线程要访问的磁道与当前磁头所在磁道的偏移后,同样可以将偏移分为三种类型:
偏移为0,表示线程要访问的磁道与当前磁头所在磁道相同,此情况应优先被调度,可立即返回该线程对应的请求的指针;偏移大于0,记录向移动距离最短的线程对应的请求;偏移小于0,记录向外移动距离最长的线程对应的请求;
③循环结束后,选择向移动距离最短的线程,如果没有向移动的线程,就选择向外移动距离最长的线程。
CSCAN修改代码:
PREQUEST
IopDiskSchedule(
VOID
)
{
PLIST_ENTRYpListEntry;
PREQUESTpRequest;
PREQUESTINpNextRequest=NULL;
PREQUESTOUTpNextRequest=NULL;
LONGOffset;
ULONGInsideShortestDistance=0xFFFFFFFF;
ULONGOutsideShortestDistance=0x00000000;
PREQUESTpNextRequest=NULL;
//需要遍历请求队列一次或两次
for(pListEntry=RequestListHead.Next;//请求队列中的第一个请链表头指向的下一个请求。
pListEntry!
=&RequestListHead;//遍历到请求队列头时结束循环。
pListEntry=pListEntry->Next){
//根据链表项获得请求的指针
pRequest=CONTAINING_RECORD(pListEntry,REQUEST,ListEntry);
//计算请求对应的线程所访问的磁道与当前磁头所在磁道的偏移(方向由正负表示)
Offset=pRequest->Cylinder-CurrentCylinder;
if(0==Offset){
//如果线程要访问的磁道与当前磁头所在磁道相同,可立即返回。
pNextRequest=pRequest;
gotoRETURN;
}elseif(Offset0){
//记录向移动距离最短的线程
InsideShortestDistance=Offset;
INpNextRequest=pRequest;
}elseif(-Offset>OutsideShortestDistance&&Offset<0){
//记录向外移动距离最短的线程
OutsideShortestDistance=-Offset;
OUTpNextRequest=pRequest;
}
}
//需要向移动的线程是否存在
if(INpNextRequest){
//存在则返回向移动的请求
returnINpNextRequest;
}
else{
//没有则返回向外移动的请求
returnOUTpNextRequest;
}
RETURN:
returnpNextRequest;
}
13)启动修改后的程序,输入“ds”命令,查看磁盘调度算法的执行情况。
14)观察执行SSTF、SCAN及CSCAN算法时磁头移动的轨迹可以看到,在开始时磁头都停留在10磁道不动,这就是“磁臂粘着”现象,通过修改代码,进一步观察。
修改sysproc.c文件ConsoleCmdDiskSchedule函数中的源代码,仍然使磁头初始停留在磁道10,而让其它线程依次访问磁道78、10、10、10、10、10、10、10、10、10,分别使用SSTF、SCAN和CSCAN算法调度这组数据。
查看各种算法在“输出”窗口中显示的容,可以发现,虽然访问78号磁道的线程的请求第一个被放入请求队列,但却被推迟到最后才被处理,出现了“磁臂粘着”现象。
SCAN算法测试:
CSCAN算法测试:
SSTF算法测试:
15)在已经完成的SCAN算法源代码的基础上进行改写,将请求队列分成若干个长度为N的子队列,调度程序按照FCFS原则依次处理这些子队列,而每处理一个子队列时,又是按照SCAN算法,修改提示:
①在block.c文件中的第360行定义了一个宏SUB_QUEUE_LENGTH,表示子队列的长度(即N值)。
目前这个宏定义的值为6。
在第367行定义了一个全局变量SubQueueRemainLength,表示第一个子队列剩余的长度,并初始化其值为SUB_QUEUE_LENGTH;
②在执行N-Step-SCAN算法时,要以第一个子队列剩余的长度做为计数器,确保只遍历第一个子队列剩余的项。
所以,结束遍历的条件就既包括第一个子队列结束,又包括整个队列结束(如果整个队列的长度小于第一个子队列剩余的长度)。
注意,不要直接使用第一个子队列剩余的长度做为计数器,可以定义一个新的局部变量来做为计数器;
③按照SCAN算法从第一个子队列剩余的项中选择一个合适的请求。
最后,需要将第一个子队列剩余长度减少1(SubQueueRemainLength减少1),如果第一个子队列剩余长度变为0,说明第一个子队列处理完毕,需要将子队列剩余的长度重新变为N(SubQueueRemainLength重新赋值为SUB_QUEUE_LENGTH),从而开始处理下一个子队列;
修改代码:
//N-Step-SCAN磁盘调度算法使用的子队列长度N
#defineSUB_QUEUE_LENGTH
//记录N-Step-SCAN磁盘调度算法第一个子队列剩余的长度。
//子队列初始长度为N,每执行一次磁盘调度算法会从子队列中移除一个请求,子队列
//长度就要减少1,待长度变为0时,再将长度重新变为N,开始处理下一个子队列。
ULONGSubQueueRemainLength=SUB_QUEUE_LENGTH;
//扫描算法中磁头移动的方向。
操作系统启动时初始化为磁头向移动。
//TRUE,磁头向移动,磁道号增加。
//FALSE,磁头向外移动,磁道号减少。
BOOLScanInside=TRUE;
PREQUEST
IopDiskSchedule(
VOID
)
{
PLIST_ENTRYpListEntry;
PREQUESTpRequest;
PREQUESTINpNextRequest=NULL;
PREQUESTOUTpNextRequest=NULL;
LONGOffset;
ULONGInsideShortestDistance=0xFFFFFFFF;
ULONGOutsideShortestDistance=0xFFFFFFFF;
PREQUESTpNextRequest=NULL;
ULONGcounter;
//需要遍历请求队列一次或两次
//计数器记录一个子队列剩余的长度
counter=SubQueueRemainLength;
//每调度一次子队列剩余的长度减一
SubQueueRemainLength--;
//如果子队列剩余长度为0,则重置为子队列原长度
if(SubQueueRemainLength==0)SubQueueRemainLength=SUB_QUEUE_LENGTH;
for(pListEntry=RequestListHead.Next;//请求队列中的第一个请链表头指向的下一个请求。
pListEntry!
=&RequestListHead&&counter>0;//遍历到请求队列头时结束循环或子队列结束。
pListEntry=pListEntry->Next){
//根据链表项获得请求的指针
pRequest=CONTAINING_RECORD(pListEntry,REQUEST,ListEntry);
//计算请求对应的线程所访问的磁道与当前磁头所在磁道的偏移(方向由正负表示)
Offset=pRequest->Cylinder-CurrentCylinder;
if(0==Offset){
//如果线程要访问的磁道与当前磁头所在磁道相同,可立即返回。
pNextRequest=pRequest;
gotoRETURN;
}elseif(Offset0){
//记录向移动距离最短的线程
InsideShortestDistance=Offset;
INpNextRequest=pRequest;
}elseif(-Offset//记录向外移动距离最短的线程
OutsideShortestDistance=-Offset;
OUTpNextRequest=pRequest;
}
counter--;
}
//判断磁头移动方向,若向移动
if(ScanInside){
//判断是否有向移动的线程
if(INpNextRequest){
//有则原则该进程
returnINpNextRequest;
}
else{
//没有则修改磁头方向,选择向外移动距离最短的线程
ScanInside=!
ScanInside;
returnOUTpNextRequest;
}
}
//如果向外移动
else{
//判断是否有向外移动的线程
if(OUTpNextRequest){
//有则选择该进程
returnOUTpNextRequest;
}
else{
//没有则修改磁头的方向,选择向移动距离最短的线程
ScanInside=!
ScanInside;
returnINpNextRequest;
}
}
}
16)生成项目,启动程序,在控制台中多次输入