请用C++实现操作系统的项目，包含三个任务：模拟轮转算法进行进程调度、实现读者-写者问题、实现最近最少使用算法。 任务一：模拟轮转算法进行进程调度 创建至少15个进程，定义它们的到达时间和执行时间。 模拟轮转算法进行进程调度，每个进程执行时间片为1秒。 输出每个进程的到达时间、执行时间、开始执行时间、结束执行时间和平均执行时间等信息。 任务二：实现读者-写者问题 创建一个共享数据集，多个并发进程可以读取数据集，但只能有一个进程可以写入数据集。 定义读者和写者进程，读者只读取数据集，写者可以读写数据集。 使用信号量机制实现读者优先，即允许多个读者同时读取，但只能有一个写者访问共享数据。 任务三：实现最近最少使用算法 使用随机函数创建一个页面访问序列，序列长度为54，页面编号范围为0-18。 设置6个主内存帧，采用LRU算法进行页面替换。 输出页面替换序列和页面缺失率等信息。

以下是用C++实现操作系统项目的代码：

任务一：模拟轮转算法进行进程调度

#include <iostream>
#include <vector>
#include <queue>

using namespace std;

struct Process {
    int id;             // 进程ID
    int arrival_time;   // 到达时间
    int execution_time; // 执行时间
    int start_time;     // 开始执行时间
    int end_time;       // 结束执行时间
};

int main() {
    int n = 15; // 进程数量
    int time_slice = 1; // 时间片长度
    int current_time = 0; // 当前时间
    int total_execution_time = 0; // 总执行时间
    int total_wait_time = 0; // 总等待时间
    queue<Process> ready_queue; // 就绪队列

    // 生成进程
    vector<Process> processes(n);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        processes[i].id = i + 1;
        processes[i].arrival_time = rand() % 10;
        processes[i].execution_time = rand() % 10 + 1;
        total_execution_time += processes[i].execution_time;
    }

    // 模拟轮转算法进行进程调度
    while (!ready_queue.empty() || current_time < total_execution_time) {
        // 将到达时间小于等于当前时间的进程加入就绪队列
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            if (processes[i].arrival_time <= current_time && processes[i].execution_time > 0) {
                ready_queue.push(processes[i]);
                processes[i].start_time = -1; // 标记为已加入队列
            }
        }

        // 从就绪队列中选取一个进程执行
        if (!ready_queue.empty()) {
            Process p = ready_queue.front();
            ready_queue.pop();
            if (p.start_time == -1) {
                p.start_time = current_time;
            }
            if (p.execution_time > time_slice) {
                current_time += time_slice;
                p.execution_time -= time_slice;
                ready_queue.push(p);
            } else {
                current_time += p.execution_time;
                p.execution_time = 0;
                p.end_time = current_time;
                total_wait_time += p.start_time - p.arrival_time;
                cout << "Process " << p.id << ": arrival time = " << p.arrival_time << ", execution time = " << p.execution_time
                     << ", start time = " << p.start_time << ", end time = " << p.end_time << endl;
            }
        }
    }

    // 输出平均等待时间
    double average_wait_time = (double)total_wait_time / n;
    cout << "Average wait time = " << average_wait_time << endl;

    return 0;
}

任务二：实现读者-写者问题

#include <iostream>
#include <pthread.h>
#include <semaphore.h>

using namespace std;

// 共享数据
int data = 0;

// 读者优先
int read_count = 0;
sem_t read_mutex;
sem_t write_mutex;

// 读者线程
void* reader(void* arg) {
    int id = *(int*)arg;
    while (true) {
        sem_wait(&read_mutex);
        read_count++;
        if (read_count == 1) {
            sem_wait(&write_mutex);
        }
        sem_post(&read_mutex);

        // 读取数据
        cout << "Reader " << id << " read data: " << data << endl;

        sem_wait(&read_mutex);
        read_count--;
        if (read_count == 0) {
            sem_post(&write_mutex);
        }
        sem_post(&read_mutex);

        // 等待一段时间
        usleep(rand() % 1000000);
    }
    return NULL;
}

// 写者线程
void* writer(void* arg) {
    int id = *(int*)arg;
    while (true) {
        sem_wait(&write_mutex);

        // 写入数据
        data += 1;
        cout << "Writer " << id << " write data: " << data << endl;

        sem_post(&write_mutex);

        // 等待一段时间
        usleep(rand() % 1000000);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    // 初始化信号量
    sem_init(&read_mutex, 0, 1);
    sem_init(&write_mutex, 0, 1);

    // 创建读者线程
    int n_readers = 5;
    pthread_t reader_threads[n_readers];
    int reader_ids[n_readers];
    for (int i = 0; i < n_readers; i++) {
        reader_ids[i] = i + 1;
        pthread_create(&reader_threads[i], NULL, reader, &reader_ids[i]);
    }

    // 创建写者线程
    int n_writers = 2;
    pthread_t writer_threads[n_writers];
    int writer_ids[n_writers];
    for (int i = 0; i < n_writers; i++) {
        writer_ids[i] = i + 1;
        pthread_create(&writer_threads[i], NULL, writer, &writer_ids[i]);
    }

    // 等待线程结束
    for (int i = 0; i < n_readers; i++) {
        pthread_join(reader_threads[i], NULL);
    }
    for (int i = 0; i < n_writers; i++) {
        pthread_join(writer_threads[i], NULL);
    }

    // 销毁信号量
    sem_destroy(&read_mutex);
    sem_destroy(&write_mutex);

    return 0;
}

任务三：实现最近最少使用算法

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

// 页面块
struct Page {
    int id; // 页面编号
    int used_time; // 最近使用时间
};

// 查找页面
int find_page(vector<Page>& memory, int page_id) {
    for (int i = 0; i < memory.size(); i++) {
        if (memory[i].id == page_id) {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

// 最近最少使用算法
void lru_algorithm(int* page_sequence, int n, int m) {
    vector<Page> memory(m); // 主内存
    int page_fault_count = 0; // 页面缺失次数

    for (int i = 0; i < n; i++) {
        int page_id = page_sequence[i];
        int index = find_page(memory, page_id);
        if (index == -1) {
            // 页面缺失
            page_fault_count++;
            int min_time = memory[0].used_time;
            int min_index = 0;
            for (int j = 1; j < memory.size(); j++) {
                if (memory[j].used_time < min_time) {
                    min_time = memory[j].used_time;
                    min_index = j;
                }
            }
            memory[min_index].id = page_id;
            memory[min_index].used_time = i;
        } else {
            // 页面命中
            memory[index].used_time = i;
        }
    }

    // 输出页面替换序列和页面缺失率
    cout << "Page replacement sequence:";
    for (int i = 0; i < memory.size(); i++) {
        cout << " " << memory[i].id;
    }
    cout << endl;
    double page_fault_rate = (double)page_fault_count / n;
    cout << "Page fault rate = " << page_fault_rate << endl;
}

int main() {
    srand(time(NULL)); // 初始化随机数种子

    // 生成页面访问序列
    int n = 54; // 序列长度
    int page_range = 19; // 页面编号范围
    int page_sequence[n];
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        page_sequence[i] = rand() % page_range;
    }

    // 使用LRU算法进行页面替换
    int m = 6; // 主内存帧数
    lru_algorithm(page_sequence, n, m);

    return 0;
}