OS-simulator

使用 PyQt5 实现的操作系统模拟软件，具有操作系统的基本功能：进程管理、内存管理、文件管理、设备管理

允许创建、删除、修改和保存伪指令程序文件，手动控制程序的提交和执行

图形界面展示多道程序并发执行的过程，可视化系统内存动态分配情况，实时统计并显示系统当前运行状态信息

内存管理上仿照虚拟内存的工作机制进行按需调页分配和管理，其中页面置换采用 LRU 算法

长期调度采用 FCFS 算法，短期调度采用基于时间片的动态优先级调度算法，结合 aging scheduling 实现

主要模块

• pcb.py

  进程控制模块，是整个系统的核心数据结构之一，集合所有的进程信息，包括：

  • self.name: 进程别名，来自于作业名
  • self.pid: 进程的PID，每个进程唯一
  • self.prioroty : 进程优先权值，与具体的作业调度算法和进程调度算法有关
  • self.status : 进程状态，有 "new"，"ready"，"running"， "suspended"（waiting），"terminated"
  • self.address : 进程内存地址，使用该对象实例的内存地址来模拟表示
  • self.age : 进程年龄，与具体的进程调度算法有关
  • self.pc : 程序计数器，即接着要运行的指令地址
  • self.codes : 程序伪指令，与 code.py 有关，是一个列表，包含所有将要执行的伪指令对象
  • self.page_table : 进程的页表，字典结构，页号 : 页表项，页表项的具体结构见 memory.py
  • self.references : 访问内存次数
  • self.page_faults : 缺页次数，缺页率 = 缺页次数 / 访问内存次数
  • self.required_memory : 进程占用的内存大小
  • self.io_type : IO 类型，有 "read file"，"write file"，"keyboard"，"printer"
  • self.io_status : IO 状态，有 "complete", "running"

• pool.py

  一共有五个 pool，分别是 JobPool、TerminatedPool、SuspendPool 和 ReadyPool，以及一个未在图形界面上显示的 IOCompletedPool，这五个 pool 分别对应进程的不同状态，具体为：

  JobPool —— new；

  ReadyPool —— ready，running；

  SuspendPool —— waiting，IO状态为 running；

  TerminatedPool —— terminated；

  IOCompletedPool —— waiting，IO状态为 complete；

  由于模拟的是单核CPU，因此处于 running 的进程永远只有一个，不可能同时存在两个 running 的进程。因此为了图形界面的简洁，没有特意设计 RunningPoo，而是把处于 running 的进程显示在了 ReadyPool 中，可通过表格的 “状态” 列区分。为了更加显眼，特意把处于 running 的进程用蓝色标出。

  同样为了界面的简洁，把 IO 状态为 complete 和 running 的 waiting 进程都显示在了 SuspendPool 中，可通过表格的 “IO 状态” 列区分。这里可能有个令人费解的地方：waiting 进程 IO 结束后不应该进入 ReadyPool，成为 ready 进程吗？怎么还是 waiting 进程且特意用 IO “complete” 去标识呢？其实这只是 IO complete 的进程在进入 ReadyPool 之前的一个中间态罢了，长期调度算法优先考虑 IO complete 的进程而不是刚进入 JobPool 的作业。

• schedule.py

  长期调度（作业调度）和短期调度（进程调度）模块。长期调度采用 FCFS 算法，短期调度采用基于时间片的动态优先级调度算法，结合 aging scheduling 实现。两个调度算法均继承了 QThread。

  长期调度把作业由 JobPool 转入 ReadyPool 参与短期调度，即 new 进程转为 ready 进程。当 IOCompletedPool 中有进程时，优先把 IOCompletedPool 中的进程转入 ReadyPool 参与短期调度，即 IO complete 的 waiting 进程转为 ready 进程。

  短期调度在时间片（CPU_PROCESS_TIME）到来时，选择优先权值最小的进程分配 CPU ，即由 ready 进程转为 running 进程。分配到 CPU 的进程 age 变为 0，且优先权值 + PRIORITY_ADD_EACH_TERN；而其他 ready 进程 age + 1，优先权值 - AGING_TABLE[age ]。这些变量都可在 settings.py 中自定义。

• memory.py

  内存管理模块，仿照虚拟内存的工作机制进行按需调页分配和管理，其中页面置换采用 LRU 算法。

  页表项（PTE）是页表的主要数据结构，其中包含对应的帧页（frame），最近访问的时间（recent_access_time）以及有效位（valid_bit）

• code.py

  

  TimeThread 类模拟代码执行时长的计时器，继承了 QThread，使用 QTimer 进行计时。Code 作为一个抽象基类，派生了 IO、C、Q 三种类型的伪指令，而 IO 又派生出 P、K、R、W 四种伪指令。各个简单伪指令的详细解释如下表格所示：

  伪指令	功能	参数
  C	算术运算	arg1：执行时间；arg2：指令所处页号
  Q	退出程序	arg1：指令所处页号
  P	打印操作	arg1：执行时间；arg2：指令所处页号
  K	键盘输入	arg1：执行时间；arg2：指令所处页号
  R	读取文件	arg1：文件名；arg2：执行时间；arg3：指令所处页号
  W	写入文件	arg1：文件名；arg2：执行时间；arg3：指令所处页号

• file.py

  文件管理模块，使用简单的单链表完成，允许创建、删除、修改和保存伪指令程序文件，手动控制程序的提交和执行

安装启动

git clone https://github.com/Hk4Fun/OS-simulator.git

cd OS-simulator

pip install pipenv

pipenv install

pipenv shell

python main.py