技术 操作系统

SPOOLing 模拟共享打印机

操作系统课程设计答辩稿

Posted by Zwei on July 5, 2024

什么是假脱机技术？

假脱机技术（Spooling）是一种在多道程序环境下，将IO操作与CPU操作分离的技术。在打印系统中，多个打印任务可以同时提交到打印队列中，由假脱机技术对这些任务进行管理和调度，实现打印机的共享使用，每个程序都认为自己独占了打印机。本课程设计旨在通过Java可视化实现假脱机技术的共享打印机模拟，让其他学习者直观地了解假脱机技术的工作原理和优势。

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1. 如何模拟？

下图展示了模拟过程（输出队列是输出井，假脱机管理器是管理程序）

通过事件监听器，用来处理用户界面的各种交互操作，如提交任务和重置打印队列的按钮。

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我使用一个优先级阻塞队列来模拟打印任务的排队过程，它可以视作逻辑上磁盘缓冲区里的输出井。每个任务按照优先级和时间戳进行排序。用户通过可视化界面提交打印任务，系统将为每个任务分配一个唯一的编号（ID），并将其加入到队列中。打印机模拟为一个单线程执行服务 ExecutorService，每当空闲，依次从队列中取出任务进行打印。打印过程中，系统会显示当前打印任务的信息，以及等待队列中的任务列表。用户还可以通过界面重置打印队列，清空输出井里的任务。

在传统SPOOLing系统中，会为每个打印请求创建一个请求表，记录请求的详细信息。在这个模拟程序中，PrintTask类的实例实际上就扮演了打印请求表的角色，它包含了打印内容、优先级、唯一ID（相当于请求标识）等信息。通过outputQueue（等待打印的任务队列、输出井）来管理这些请求，模拟了将请求表挂到假脱机文件队列上的过程。

最终，通过为每个用户进程分配一个逻辑上的存储区，系统实现了对打印机的共享。每个用户都感觉到自己在独占打印机，实际上是系统在快速地为多个用户服务。

数据结构说明

1．打印任务类（PrintTask）

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   static int idCounter = 0; 
  // 静态变量，用于生成唯一的任务编号 (构造方法里  this.id = ++idCounter;)
   private int id; // 任务编号
   private String content; // 打印内容
   private int priority; // 任务优先级
   private long timestamp; // 任务提交时间戳
 
   public PrintTask(String content, int priority) { ... }

//  构造方法及访问器方法...
  1. 打印假脱机模拟类（PrintSpoolerSim）
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public class PrintSpoolerSim extends JFrame {
   private PriorityBlockingQueue<PrintTask> outputQueue = new PriorityBlockingQueue<>(10, Comparator.comparingInt(PrintTask::getPriority).thenComparingLong(PrintTask::getTimestamp));
   // ...
 }
  • outputQueue：这是一个PriorityBlockingQueue类型的队列，用于存储等待打印的任务。它是一个优先级队列，根据任务的优先级和提交时间戳进行排序，确保高优先级的任务或先提交的任务能够优先得到处理。假设队列的大小被初始化为10，那么意味着最多可以同时存储10个任务。

submitTask()

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processTasks()

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resetQueue()becfa62b21e73d687d410.png

2. PriorityBlockingQueue 的使用和优先级处理

我是如何实现任务的优先级处理的？

答：为了实现任务的优先级处理，我使用了 PriorityBlockingQueue。这个队列支持优先级排序，任务按照优先级和时间戳进行排序。我们在创建队列时传入了一个比较器，先比较任务的优先级，如果优先级相同再比较时间戳。这确保了即使在多线程环境下，高优先级的任务也能优先处理。

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private PriorityBlockingQueue<PrintTask> outputQueue = new PriorityBlockingQueue<>(10, 
    Comparator.comparingInt(PrintTask::getPriority).thenComparingLong(PrintTask::getTimestamp));

3. 线程安全和任务执行

我的系统如何保证线程安全和任务的顺序执行？

答：为了保证线程安全和任务的顺序执行，我使用了 ExecutorService，具体来说是 SingleThreadExecutor。这个执行器确保了任务是按顺序执行的，每次只运行一个任务，这避免了并发执行可能带来的问题。

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private ExecutorService printerService = Executors.newSingleThreadExecutor();

4. GUI实时更新机制

我使用了 SwingUtilities.invokeLater 方法。这个方法确保所有的界面更新操作都在事件调度线程上执行，这样可以避免线程冲突和界面冻结。例如，在添加任务或更新打印状态时，都使用了这种方法来确保界面的响应性和数据的一致性。

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SwingUtilities.invokeLater(() -> {
    queueArea.append("任务提交: " + task.getContent() + "，优先级 " + task.getPriority() + "，任务编号 " + task.getId() + "\n");
    updateWaitingQueueArea();
});

5. 异常处理和用户输入验证

在用户输入方面，我设置了输入验证来确保数据的有效性。例如，优先级必须是整数。如果用户输入无效，系统会通过对话框提示他们。运行过程中，我也添加了异常处理机制，比如在打印任务执行时捕获中断异常，以确保系统稳定运行并及时响应用户操作。

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try {
    int priority = Integer.parseInt(priorityField.getText());
    submitTask(content, priority);
} catch (NumberFormatException e) {
    JOptionPane.showMessageDialog(this, "优先级必须是整数", "输入错误", JOptionPane.ERROR_MESSAGE);
}

6. 性能优化和未来改进方向

答：目前系统的性能能满足基本的使用需求，但在处理大量任务或高并发场景下可能会有性能瓶颈。未来，我打算引入更复杂的任务调度算法，比如基于预估打印时间的动态优先级调整。此外，为了适应多用户环境，我计划支持多台打印机并行处理任务，这可以通过配置多个线程池来实现。这样，系统的处理能力和效率将大大提高。

7. 代码展示、实际运行示例

简单演示一下系统的实际运行情况

  • 启动程序后，用户在上方的输入框中输入打印内容和优先级，点击提交按钮。任务会被添加到队列中，并显示在队列区。

  • 随后，系统会自动开始打印任务，每个字符打印间隔两秒。

  • 在打印过程中，打印区会实时更新显示当前打印的内容。

  • 用户也可以点击重置按钮，清空所有任务，包括正在执行的任务。

演示输入：

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任务提交: 打印测试文本打印测试文本打印测试文本打印测试文本，优先级 1，任务编号 1
任务提交: 打印测试文本1，优先级 2，任务编号 2
任务提交: 打印测试文本2，优先级 2，任务编号 3
任务提交: 打印测试文本3，优先级 3，任务编号 4
任务提交: 打印测试文本4，优先级 1，任务编号 5
任务提交: 打印测试文本5，优先级 1，任务编号 6
任务提交: 打印测试文本6，优先级 2，任务编号 7
任务提交: 打印测试文本7，优先级 3，任务编号 8
任务提交: 打印测试文本8，优先级 4，任务编号 9
任务提交: 打印测试文本9，优先级 1，任务编号 10
任务提交: 打印测试文本10，优先级 1，任务编号 11
任务提交: 打印测试文本11，优先级 1，任务编号 12
任务提交: 打印测试文本12，优先级 3，任务编号 13
打印队列已重置

8. 参考文献

  1. Java API 文档 https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/

  2. 《Java 核心技术 卷 I 基础知识》（第十版）凯 S. 霍斯特曼

  3. 《Java 并发编程实战》布莱恩·戈茨

  4. 《计算机操作系统》汤小丹等
  5. mermaid 介绍文档，用于生成流程图 https://mermaid.js.org/intro/
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