基于Java实现模拟操作系统(进程、存储、设备、文件和用户)【100012402】

# 一、需求分析 1.模拟操作系统实现。一个采用多道程序设计的单用户操作系统。包括进程管理、存储管理、设备管理、文件管理和用户接口。 2.本程序采用图形界面，输入主要为鼠标操作以及修改用户名、修改文件以及 cmd 中的键盘输入。输出则是对相应动作的响应。 3.输出的形式是，根据在桌面点击的图标，分别显示各模块内容。例如点击磁盘分配。会根据目前系统磁盘的使用情况显示。包括 FAT 表以及剩余磁盘块的饼状图显示。 4.文件管理 - 文件逻辑结构采用流式结构。 - 文件均为文本文件，但分为可执行文件和不可执行文件。 5磁盘管理 - 文件对磁盘块是独占的。 - 目录结构采用树型目录结构。 - 每个目录项为 8 字节，要存储目录名或文件名，扩展名，目录、文件属性，起始盘号，文件长度。每个文件夹最多存放 8 个目录项。 - 根目录为磁盘第二块。 - 磁盘分配采用连接结构（显示连接），采用 FAT 记录磁盘空间使用情况和连接结构的指针。 6.设备管理 - 管理一张设备分配表 - 有 A、B、C 三种独占型设备。其中 A 设备 2 个，B 设备 3 个，C 设备 3 个 - 不考虑死锁。 - 设备使用完后立即释放该设备资源。 7.存储管理 - 用链表模拟内存空间分配表。 - 系统区存放进程控制块和内存分配表。 - 用户区存放可执行文件。 8.进程管理 - 首先随机创建 10 个可执行文件来进行调度。 - 采用时间片轮转调度算法，时间片长度为 6 。 - 进程控制块包括进程标识符、主要寄存器、进程状态、阻塞原因。本系统最多容纳 10 个进程块。 # 二、概要设计 设备管理 - 主要涉及到的类有：Device、DeviceController - 功能：管理设备，提供设备分配，释放以及查看设备使用情况的方法 存储管理 - 主要涉及到的类有：Address、Memory、MemoryBlock、MemoryController - 功能：管理内存，提供内存分配（首次分配内存法）、内存释放、查看内存等功能 进程管理 - 主要涉及到的类有：PCB、Process、ProcessController - 功能：管理进程的创建、删除以及调度，提供创建进程的方法。 # 三、详细设计 ## 存储管理 ### 1.Memory 类 (1)表示内存 (2)属性： ```c++ LinkedList<MemoryBlock> blocks; ``` 链式存储，故用链表存下内存块，维护内存结构 ```c++ List<PCB> pcbList = new ArrayList<>(); ``` 当前进程列表 (3)方法 ```c++ public PCB getPCB(String pid) ``` - 参数 pid，进程序号 - 通过序号获取到对应的进程实例 ### 2.Address 类 (1)用来表示一个内存占用的地址空间范围 (2)属性 - startAddress：开始地址 - endAddress：结束地址 ### 3.MemoryBlock 类 (1)表示内存块 (2)属性 ```c++ Address ``` 表示该内存块的在内存中的范围 ```c++ PID ``` 占用内存的进程序号 ```c++ Length ``` 内存块长度 ```c++ isEmpty ``` 占用状态 ```c++ Color ``` 设置内存块颜色 (3)方法 ```c++ public static Color randomColor() ``` 随机生成内存块颜色 ```c++ public MemoryBlock(int startPosition, int length, boolean isEmpty, String PID) ``` 用于初始化内存块 参数包括： - 内存占用范围 - 内存占用长度 - 是否被进程占用 - 占用该内存块的进程序号 - 当前内存的颜色 ```c++ public boolean equals(MemoryBlock block) ``` - 作用：判断传入的内存块和本内存块是否是同一个（检测内存起始位置和内存长度） - 参数：内存块实例 ### 4.MemoryController 类 (1)内存控制类 (2)属性 ```c++ List<MemoryBlock> myMemoryBlockList = new ArrayList<>(); ``` 当前内存块列表 (3)方法 ```c++ public static void mergeMemory() ``` - 作用：压缩内存 - 原理：遍历当前内存块列表，通过各个内存块内部维护的 Address 实例对象来表示各个内存块在内存中的起始范围，并以此来进行排序，使得原本各个内存块之间存在的空白就此消掉，提高内存的利用率 ```c++ public boolean hasBlankPCB() ``` - 判断当前是否还有空闲的进程 - 通过判断 PCBList 的长度是否大于 10 ```c++ public MemoryBlock findBlankAddress(int size) ``` 查找是否有大小大于等于 size 的空内存 原理：通过首次适配法来对内存进行分配，有三种情况 - 如果顺利找到两个内存块之间有一个大小 大于等于 size 的空白内存，直接 new 一个内存块对象，并加入到内存块列表中 - 当前内存块列表是空的 - 内存块间找不到，所以只有在内存块最后添加上该新建的大小为 size 的内存块了 ```c++ public void release(MemoryBlock myMemoryBlock) ``` - 释放内存块 - 原理：传入内存块实例，并从内存块列表中移除 ```c++ public MemoryBlock getMemoryBlock(Address address) ``` - 返回内存占用范围匹配的内存块 - 参数：传入 address（包含起始和结束位置） - 原理：在内存块列表中，找到对应内存块的起始位置和传入的 address 吻合的才进行返回 ```c++ public void sortList() ``` - 对内存块列表进行排序 - 根据内存块的起始位置来进行排序 ## 进程管理 ### 1.PCB 类 (1)进程控制块 (2)属性 ```c++ Id ``` 进程控制块的唯一标识 ```c++ Status ``` 当前状态 - 值为 0 : 就绪态 - 值为 1 : 运行态或者被中断 - 值为 -1 : 阻塞态 ```c++ Priority ``` 进程优先级 - 默认最高是 10 - 默认最低是 0 ```c++ isInterrupt ``` 进程是否中断了 ### 2.Process 类 (1)进程 (2)属性 ```c++ Pcb ``` 当前进程所在的进程控制块 ```c++ Address ``` 进程内存地址 ```c++ Device ``` 进程所需要的设备 ```c++ isUser ``` 判断该进程是不是用户进程 ```c++ Id ``` 进程 id ```c++ Priority ``` 进程优先级 ```c++ restRunTime ``` 进程剩余运行时间 ```c++ totalRunTime ``` 进程总运行时间 ```c++ lastRestRunTime ``` 进程运行最后剩余时间 ```c++ Status ``` 当前状态 - 值为 0 : 就绪态 - 值为 1 : 运行态或者被中断 - 值为 -1 : 阻塞态 ### 3.ProcessController 类 (1)进程控制类 (2)属性 ```c++ runningProcess ``` - 当前正在运行的进程 - 类型为：Process 类 ```c++ hangOutProcess ``` 当前空闲的进程 ```c++ currentPID ``` 当前正在进行的进程，进程 PID ```c++ List<Process> runningQueue = new ArrayList<>(); ``` 被中断的进程队列 ```c++ List<Process> readyQueue = new ArrayList<>(); ``` 就绪进程队列 ```c++ List<Process> blockedQueue = new ArrayList<>(); ``` 阻塞进程队列 ```c++ timeChip ``` - 表示时间片 - 默认是 2s (3)方法 ```c++ public List<Process> getRunningQueue() ``` 返回当前正在执行的进程队列 ```c++ public List<Process> getReadyQueue() ``` 返回当前就绪的进程队列 ```c++ public List<Process> getBlockedQueue() ``` 返回当前阻塞的进程队列 ```c++ public static Process createHangOutProcess() new Process(new PCB("#hang out", MIN_PRIORITY, (double) 0)); ``` New 一个序号为 hang out，并且优先级是最低的作为挂起进程 ```c++ public static String getCurrentPid() ``` 获取当前正在执行的进程 进程 PID ```c++ public Process getRunningProcess() ``` 获取当前正在执行的进程 ```c++ public Process getHangOutProcess() ``` 获取当前被挂起的进程 Run 方法 - 原理：执行时间片轮转函数，对当前正在执行的进程进行操作和监听，并查看有无抢占进程，当时间片轮转结束之后，当前正在执行的进程被挂起，并从就绪队列中获取到新的执行进程 create 方法 - 原理：查看是否有空闲的内存块，并获取到空闲的设备，以此来创建一个新的进程 ```c++ public static String getRandom