磁盘调度算法实验报告.docx

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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

姓名

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

哈尔滨工程大学
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.实验内容：
1）准备实验，创建一个EOS Kernel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：windows XP
编译器：Tevalaton OS Lab
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：
循环结束后记录了向内移动距离最短的线程和向外移动距离最长的线程

有向内移动的线程？

YES NO
选择向内移动距离最短的线程
选择向外移动距离最长的线程

N-STEP-SCAN算法调度：

2.实验过程：
1）新建一个 EOS Kernel 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 OS Lab 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”窗口中的内容，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 磁头向内移动（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”窗口中的内容（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”窗口中的内容，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”窗口中显示的内容，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 时表示磁头向内移动（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，磁头向内移动；
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”窗口中的内容，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，记录向内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_ENTRY pListEntry;
PREQUEST pRequest;
PREQUEST INpNextRequest = NULL;
PREQUEST OUTpNextRequest = NULL;
LONG Offset;

ULONG InsideShortestDistance = 0xFFFFFFFF;
ULONG OutsideShortestDistance = 0xFFFFFFFF;
PREQUEST pNextRequest = 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求是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;
goto RETURN;
} else if (Offset<InsideShortestDistance && Offset > 0) {
// 记录向内移动距离最短的线程
InsideShortestDistance = Offset;
INpNextRequest = pRequest;
} else if (-Offset < OutsideShortestDistance && Offset < 0) {
// 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，若向内移动
if(ScanInside){
//判断是否有向内移动的线程
if(INpNextRequest){
//有则原则该进程
return INpNextRequest;
}
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;
return OUTpNextRequest;
}
}
//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
return OUTpNextRequest;
}
else{
//没有则修改磁头的方向，选择向内移动距离最短的线程
ScanInside =!ScanInside;
return INpNextRequest;
}
}
RETURN:
return pNextRequest;
}
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内移动。当磁头移动到最内的被访问磁道时，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内移动，所以在每次遍历中，总是同时找到向内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，记录向内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，选择向内移动距离最短的线程，如果没有向内移动的线程，就选择向外移动距离最长的线程。
CSCAN修改代码：
PREQUEST
IopDiskSchedule(
VOID
)
{
PLIST_ENTRY pListEntry;
PREQUEST pRequest;
PREQUEST INpNextRequest = NULL;
PREQUEST OUTpNextRequest = NULL;
LONG Offset;

ULONG InsideShortestDistance = 0xFFFFFFFF;
ULONG OutsideShortestDistance = 0x00000000;
PREQUEST pNextRequest = 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求是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;
goto RETURN;
} else if (Offset<InsideShortestDistance && Offset > 0) {
// 记录向内移动距离最短的线程
InsideShortestDistance = Offset;
INpNextRequest = pRequest;
} else if (-Offset > OutsideShortestDistance && Offset < 0) {
// 记录向外移动距离最短的线程
OutsideShortestDistance = -Offset;
OUTpNextRequest = pRequest;
}
}
//需要向内移动的线程是否存在
if(INpNextRequest){
//存在则返回向内移动的请求
return INpNextRequest;
}
else{
//没有则返回向外移动的请求
return OUTpNextRequest;
}
RETURN:
return pNextRequest;
}
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”窗口中显示的内容，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
#define SUB_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。
ULONG SubQueueRemainLength = 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内移动。
// TRUE，磁头向内移动，磁道号增加。
// FALSE，磁头向外移动，磁道号减少。
BOOL ScanInside = TRUE;
PREQUEST
IopDiskSchedule(
VOID
)
{
PLIST_ENTRY pListEntry;
PREQUEST pRequest;
PREQUEST INpNextRequest = NULL;
PREQUEST OUTpNextRequest = NULL;
LONG Offset;

ULONG InsideShortestDistance = 0xFFFFFFFF;
ULONG OutsideShortestDistance = 0xFFFFFFFF;
PREQUEST pNextRequest = NULL;
ULONG counter;

// 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求是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;
goto RETURN;
} else if (Offset<InsideShortestDistance && Offset > 0) {
// 记录向内移动距离最短的线程
InsideShortestDistance = Offset;
INpNextRequest = pRequest;
} else if (-Offset < OutsideShortestDistance && Offset < 0) {
// 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，若向内移动
if(ScanInside){
//判断是否有向内移动的线程
if(INpNextRequest){
//有则原则该进程
return INpNextRequest;
}
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;
return OUTpNextRequest;
}
}
//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
return OUTpNextRequest;
}
else{
//没有则修改磁头的方向，选择向内移动距离最短的线程
ScanInside =!ScanInside;
return INpNextRequest;
}
}
}
16）生成项目，启动程序，在控制台中多次输入“ds”命令，查看磁盘调度算法的执行情况。

输入“ds”命令进行测试：

将宏定义 SUB_QUEUE_LENGTH 的值修改为 100，算法性能接近于 SCAN 算法的性能；将宏定义 SUB_QUEUE_LENGTH 的值修改为 1，算法退化为 FCFS 算法。
四．实验体会
通过本次实验的具体操作，了解了磁盘调度的SSTF算法、SCAN算法、CSCAN算法以及N-STEP-SCAN算法的具体代码和实现过程，掌握了不同的调度算法的各自特点，并与具体的理论知识相比较与验证，对掌握的理论知识有了更准确的理解。

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