OS SPOOLING
1.0.0
基於C# winform的操作系統課程設計：SPOOLING假脫機輸入輸出技術模擬。
要求設計一個SPOOLING輸出進程和兩個請求輸出的用戶進程，以及一個SPOOLING輸出服務程序。當請求輸出的用戶進程希望輸出一系列信息時，調用輸出服務程序，由輸出服務程序將該信息送入輸出井。待遇到一個輸出結束標誌時，表示進程該次的輸出文件輸出結束。之後，申請一個輸出請求塊(用來記錄請求輸出的用戶進程的名字、信息在輸出井中的位置、要輸出信息的長度等)，等待SPOOLING進程進行輸出。
SPOOLING輸出進程工作時，根據請求塊記錄的各進程要輸出的信息，將其實際輸出到打印機或顯示器。這裡，SP00LING輸出進程與請求輸出的用戶進程可並發運行。
進程調度採用隨機算法，這與進程輸出信息的隨機性相一致。兩個請求輸出的用戶進程的調度概率各為45％，SPOOLING輸出進程為10％，這由隨機數發生器產生的隨機數來模擬決定。
進程基本狀態有3種，分別為可執行、等待和結束。可執行態就是進程正在運行或等待調度的狀態；等待狀態又分為等待狀態1、等待狀態2和等待狀態3。
狀態變化的條件為：
①進程執行完成時，置為“結束”態。
②服務程序在將輸出信息送輸出井時，如發現輸出井已滿，將調用進程置為“等待狀態1”。
③SPOOLING進程在進行輸出時，若輸出井空，則進入“等待狀態2”。
④SPOOLING進程輸出一個信息塊後，應立即釋放該信息塊所佔的輸出井空間，並將正在等待輸出的進程置為“可執行狀態”。
⑤服務程序在輸出信息到輸出井並形成輸出請求信息塊後，若SPOOLING進程處於等待態，則將其置為“可執行狀態”。
⑥當用戶進程申請請求輸出塊時，若沒有可用請求塊時，調用進程進入“等待狀態3”。
系統中一共有兩個請求輸出的用戶進程，兩個進程分別命名為用戶進程A和用戶進程B。用戶需要輸出的文件可能不止一個，文件之間由一個輸出結束標誌隔開，本文實驗採用的文件輸出結束標誌為#號。
用戶需要在初始化階段輸入要進行輸出的全部文件內容，然後存進一個數組中。在用戶進程被調度時，如果滿足以下三個條件：當前還有文件沒有被輸出、輸出井中剩餘空間能夠放下該文件、有可用的輸出請求塊，就將該文件送到輸出井，然後申請一個輸出請求塊，加入請求塊等待隊列，等待SPOOLING輸出進程進行調度輸出。
輪到SPOOLING輸出進程佔用CPU時，SPOOLING輸出進程首先檢查請求塊等待隊列中是否有輸出塊需要輸出，沒有就進入等待狀態。否則，進行輸出，然後釋放輸出井空間以及相應的請求輸出塊，並喚醒因為沒有可用輸出塊而陷入沉睡的用戶進程。
SPOOLING輸出進程與用戶進程可以並發執行。本文將進程的一次執行過程（執行後進程不一定結束）抽象成一個函數，每次先產生一個隨機數，根據隨機數執行某一進程，如果該進程因為某些情況被阻塞，則產生下一個隨機數，調度另外的進程。用戶進程和SPOOLING輸出進程因為各種原因被輪流調度，即為並發執行。
整個系統的功能分為以下幾個部分：初始化函數、調度函數、用戶進程函數、SPOOLING輸出函數。初始化函數用於實現用戶文件的初始輸入與保存；調度函數實現用戶進程和SPOOLING輸出進程間的切換；用戶進程函數實現進程被調度後所完成的一系列動作；SPOOLING輸出函數表示輸出操作。
系統運行總的流程圖如圖1所示：
系統首先利用初始化函數對用戶輸入的內容進行初始化，然後產生一個0到1之間的隨機數R，根據R的大小判斷當前應該執行用戶進程還是輸出進程。等用戶進程和輸出進程都執行完畢後，程序運行結束，否則繼續進行調度。
用戶需要輸入自己想要“打印”的內容，初始化函數接受用戶輸入的內容後按照文件結束符進行切割，並將切割好的文件放入一個數組中，等用戶進程被調度時再將其送往輸出井中。
進程調度採用隨機算法，兩個請求輸出的用戶進程的調度概率各為45％，SPOOLING輸出進程為10％，本文采用隨機數來實現這一要求。進行進程調度時，隨機生成一個0到1之間的小數。如果該數小於等於0.45就將用戶進程A投入運行；如果該數處於0.45到0.9之間，就將用戶進程B投入運行；如果該數大於0.9，就將SPOOLING輸出進程投入運行。
用戶進程函數首先需要檢查當前進程是否滿足三個條件：還有文件沒有被輸出、輸出井中剩餘空間能夠放下該文件、有可用的輸出請求塊，滿足三個條件就將該文件送到輸出井併申請相應請求塊。
用戶進程函數執行的流程圖如圖2所示：
用戶進程執行時，如果發現文件已經輸出完畢，則進程運行結束。否則判斷輸出井是否有剩餘空間，無進入等待狀態1。輸出井有剩餘空間繼續判斷是否有可用輸出塊，有就將文件送往輸出井並請求一個輸出塊，並喚醒可能沉睡的輸出進程，否則進入等待狀態3。
SPOOLING輸出函數檢查是否有可輸出的請求塊，有則進行輸出並釋放相關資源，否則SPOOLING輸出進程等待。
SPOOLING輸出函數的流程圖如圖3所示：
PCB的定義如下：
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
}用戶進程中包括序號id、進程狀態status、要輸出的內容contents、文件輸出標誌flags以及真實文件個數fileCount。
其中，用戶進程可能存在的進程狀態有：0表示可執行狀態、1表示等待狀態1、3表示等待狀態3、4表示進程結束。
OutPutReqBlock定義如下：
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 ;
}
}請求輸出塊中包括：請求該請求塊的進程id，文件在輸出井中的起始位置start、文件長度length、要輸出的文件在用戶所有文件中的序號。
OutputWell的定義如下：
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
}輸出井的參數有：緩衝區buffer，用於存放用戶放入的數據；當前可用位置begin，文件在輸出井中按順序存放，begin始終指向當前可用緩衝區的起始位置；剩餘容量restSize，緩衝區中剩餘的容量，初始時為緩衝區長度MaxWellLen。
用戶在文本框中輸入要“打印”的信息，然後選擇輸出內容屬於哪一個進程（A or B），最後點擊初始化按鈕，即可啟動初始化函數。初始化函數首先利用一個string對象存儲用戶輸入的內容。隨後，檢查用戶輸入的內容是否以#號結尾，不合法則提示用戶重新輸入。輸入合法後，將用戶輸入的內容按#號進行切割，切割形成多個字符串，最後利用生成的各項信息初始化一個PCB對象，放入等待隊列waitQueue中。
由於用戶可能多次點擊初始化按鈕，所以每次點擊前需要判斷當前進程是否已經初始化完成，如果已經初始化完成用戶卻再次點擊初始化按鈕，則會覆蓋原來的內容。
輸出井在系統界面進行加載時自動初始化。
初始化函數代碼略！
為了實現隨機性，每次要進行調度時，就利用C#的Random函數生成一個0到1之間的隨機數。如果該隨機數小於等於0.45表示接下來要調度用戶進程A；如果該隨機數處於0.45到0.9之間表示接下來要調度用戶進程B；如果該隨機數大於0.9表示接下來要調度SPOOLING輸出進程。
調度函數的實現如下：
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
}
} 用於實現用戶進程運行時所進行的一系列操作。
用戶進程被調度時，首先檢查是否還有文件未送到輸出井，沒有則置當前用戶進程為結束狀態，函數返回。
用戶進程尚未結束，說明還有文件未被送入輸出井。循環查找一個尚未輸出的文件塊（相應flag標誌為1），接著查詢輸出井中的剩餘空間是否還能放下此文件塊，如果不能，將進程狀態置為等待狀態1，函數返回。若還有剩餘空間，接著檢查是否還有可用的請求輸出塊，如果沒有將進程置為等待狀態3，函數返回。否則將文件塊送入輸出井並修改輸出井相關參數，然後申請一個請求輸出塊，放入輸出隊列printQueue中，等待SPOOLING輸出進程被調度時進行打印輸出。最後，如果SPOOLING輸出進程處於等待狀態，該用戶進程需要將其喚醒。
用戶進程函數運行時的各種情況通過一個列表進行保存，用於最後的結果展示。列表內容包括：當前調度序號、進程號、進程狀態、輸出井狀態、可用請求塊個數、文件序號、文件長度。
用戶進程函數代碼略！
輸出函數的功能是選擇一個請求輸出塊，然後對其中的內容進行輸出，最後釋放掉相應資源。
首先檢查輸出井是否為空，空就置輸出進程為等待狀態2，函數返回。否則檢查請求輸出隊列中是否有需要輸出的請求輸出塊，沒有函數返回。否則從請求輸出隊列中取出隊首的請求輸出塊，然後輸出請求塊，並釋放相應的輸出井空間和請求塊。
輸出函數進行輸出時，要將輸出內容顯示到文件輸出區域。
輸出函數代碼略！
用戶點擊“程序運行”按鈕後開始運行主函數，主函數中根據當前情況來動態調整運行的進程。
主函數首先判斷兩個用戶進程是否都已經初始化完畢，初始化完畢才能運行，否則提示出錯。
初始化完畢後再次點擊“程序運行”按鈕，只要有一個進程未處於結束狀態，或者有一個請求塊尚未被輸出，則繼續調度。調度時要判斷當前進程是否已經結束，結束就輸出相關狀態。
主函數代碼略！
實驗中用到的各種參數說明如表1所示：
| 參數名稱 | MaxWellLen | MaxFileCount | blockCount |
|---|---|---|---|
| 參數說明 | 輸出井長度 | 一個用戶可以輸出的最大文件數 | 請求塊個數 |
| 參數值 | 15 | 10 | 3 |
系統界面如圖4所示：
系統界面分為三個版塊：初始化、調度過程以及文件輸出區。初始化版塊包含一個文本框、一個選擇框、一個按鈕，用戶在文本框中輸入需要打印的文件，然後進行初始化。調度過程版塊主要為一個表格，用於展示進程調度的詳細過程。文件輸出區版塊用於展示所有文件的打印過程。
用戶首先選擇一個進程，初始默認為A，隨後將要輸出的文件放入初始化版塊的文本框中，然後點擊初始化按鈕，初始化成功，如圖5所示：
對於進程B同進行上述操作，如圖6所示：
兩個用戶進程初始化完成後，點擊程序運行按鈕，結果展示如圖7和圖8所示：
下面對圖7內容做簡單分析。如圖9所示：
第1次調度了輸出進程，因為此時輸出井空，所以輸出進程狀態為等待狀態2，此時可用請求塊個數為3。第2次調度進程A，進程A狀態為可執行，可用請求塊個數為3，A將文件0送到輸出井，文件0（“abcd”）長度為4。第3次調度輸出進程，輸出井可用空間為15-4=11，可用請求塊個數變為2，輸出A進程的文件0，如文件輸出區所示，並釋放相關空間。
