某栋楼共 20 层，配备 5 部互联的电梯。基于定时器事件驱动思想，编写一个电梯调度模拟程序。将电梯视为处理机（CPU），乘客的乘梯请求视为待调度进程，通过调度算法将外部请求分配到合适的电梯上执行，从而模拟操作系统处理机调度的核心思想。
通过模拟电梯调度，深入理解操作系统处理机调度策略与资源分配机制。掌握事件驱动编程模型以及 C++ 语言在图形界面程序中的应用。
每部电梯内部提供目标楼层输入框，乘客可输入 1～20 的目标楼层，确认后该请求被加入该电梯的待服务任务列表。电梯运行时按照当前方向逐层移动，每到达一个目标楼层则完成该次服务并从任务列表中移除。
每层楼（除顶层无上行键、底层无下行键）均设有上行按钮与下行按钮。乘客按下外部按钮相当于创建一个外部请求进程，系统根据调度算法为该请求分配一部最合适的电梯前往接载。请求被满足后，对应按钮自动复位。
调度算法需要综合考虑以下因素：
- 电梯当前所在楼层与请求楼层的距离
- 电梯当前的运行方向与请求方向是否一致
- 电梯已有的待服务任务数量
要求在保证响应速度的同时，避免出现个别电梯负荷过重或某些请求长期得不到响应（饥饿）的问题。
电梯内部面板输入目标楼层后，该请求直接加入对应电梯的任务集合。若电梯当前处于静止状态，则根据目标楼层相对于当前位置的方向自动启动运行。
对于外部楼层按钮的请求，系统通过调度算法计算每部可用电梯的代价，选择代价最低的电梯进行分配。分配后该目标楼层被加入对应电梯的任务集合，并在请求完成时自动清除。
本项目的调度算法融合了多种经典电梯调度思想：
-先到先服务算法（FCFS）：按请求产生的时间顺序依次处理。实现简单、公平，但在负载较高时平均等待时间显著增加。
-最短寻找楼层时间优先算法（SSTF）：每次选择距离当前电梯最近的请求。能有效降低平均响应时间，但响应时间方差较大，远离电梯的请求可能出现"饥饿"现象。
-扫描算法（SCAN）：电梯沿当前方向持续移动，处理该方向上的所有请求，到达最远端后反向移动。相比 SSTF 大幅消除了不公平性。
-LOOK 算法：SCAN 算法的改进版本。电梯沿当前方向移动，但当发现该方向上不再有请求时立即改变方向，无需移动到物理端点。
本项目的调度算法采用了带权重的代价评估模型，在 LOOK 方向决策的基础上融入任务负载均衡因子，形成一种改进的调度策略。
| 项目 | 说明 |
| -------- | ------------------------------------- |
| 操作系统 | Ubuntu 22.04.5 LTS x86_64/ Windows 11 |
| 开发软件 | VSCode / Qt Creator |
| 开发语言 | C++17 |
| GUI 框架 | Qt6 Widgets |
| 构建系统 | CMake 3.16+ |
| 编译器 | GCC / MSVC |
本项目采用单窗口架构，以 MainWindow 类（继承自 QMainWindow）作为核心控制器，集中管理所有的电梯状态、请求队列、调度逻辑以及界面更新。系统整体分为三个逻辑层次：
-数据层：存储电梯位置、方向、任务目标、外部请求分配关系等核心状态数据。
-逻辑层：实现调度算法和电梯状态机，由定时器周期性驱动更新。
-表示层：基于 Qt6 Widgets 的图形界面，实时反映电梯位置和运行状态。
系统运行流程图如下：
graph TD
subgraph 用户交互层 [表示层 - Qt6 Widgets]
A[楼层外呼按钮<br>上下方向] --> B[MainWindow 信号槽]
C[电梯内呼面板<br>楼层输入+确认] --> B
D[定时器 QTimer<br>每500ms触发] --> E[updateElevators 逻辑]
end
subgraph 核心调度与状态机 [逻辑层]
B --> F{外呼请求处理<br>onExternalRequest}
F -->|新请求| G[findBestElevator<br>调度算法]
G --> H[分配电梯并插入目标集]
F -->|取消请求| I[从目标集移除并复位按钮]
C --> J[内呼请求直接加入<br>对应电梯目标集]
E --> K[遍历每部电梯]
K --> L[清除已到达楼层的<br>内外呼任务]
L --> M{目标集是否为空？}
M -->|是| N[设置方向为 Stop]
M -->|否| O[方向决策逻辑<br>判断是否需转向/启动]
O --> P[更新电梯方向]
P --> Q[按方向移动一层]
N --> Q
Q --> R[更新电梯位置数组]
end
subgraph 数据存储 [数据层]
S[电梯位置 m_elevator]
T[电梯方向 m_elevator_direction]
U[内呼目标 m_elevator_targets]
V[外呼分配表 m_external_assignment]
end
R --> S
P --> T
H --> U
I --> U
J --> U
H --> V
I --> V
L --> V
subgraph 界面更新 [表示层更新]
D --> W[updateElevatorDisplay 函数]
W --> X[更新LCD楼层显示]
W --> Y[更新方向指示器Label]
W --> Z[移动电梯方块到新网格位置]
W --> AA[刷新任务列表ListWidget]
W --> AB[复位已服务的外呼按钮状态]
end
S --> W
T --> W
U --> W
style 核心调度与状态机 fill:#e1f5fe,stroke:#01579b
style 数据存储 fill:#fff3e0,stroke:#e65100
style 用户交互层 fill:#f3e5f5,stroke:#4a148c
style 界面更新 fill:#e8f5e9,stroke:#1b5e20
核心数据结构全部作为 MainWindow 的成员变量，采用静态数组进行管理。
| 变量名 | 类型 | 作用 | 初始值 |
| ------------------------------------ | ------------- | ------------------------------------------------------- | ----------------- |
| m_elevator[ELEVATOR_NUM] | int[] | 每部电梯当前所在楼层（1～HEIGHT） | {1, 1, 1, 1, 1} |
| m_elevator_direction[ELEVATOR_NUM] | Direction[] | 每部电梯当前运行方向 | Direction::stop |
| m_button_checked[HEIGHT+1][2] | bool[][] | 外部按钮按下状态，[i][0] 为上，[i][1] 为下 | false |
| m_elevator_targets[ELEVATOR_NUM] | QSet<int>[] | 每部电梯的待服务目标楼层集合 | 空集 |
| m_external_assignment[HEIGHT+1][2] | int[][] | 外部请求分配记录，值为负责响应的电梯编号，-1 表示未分配 | -1 |
方向枚举定义：
| 枚举值 | 含义 |
| ----------------- | ---- |
| Direction::up | 上行 |
| Direction::down | 下行 |
| Direction::stop | 停止 |
全局常量：
| 常量名 | 值 | 说明 |
| -------------- | -------- | --------------------- |
| HEIGHT | 20 | 楼层总数 |
| ELEVATOR_NUM | 5 | 电梯数量 |
| 定时器间隔 | 500 ms | 电梯每 0.5 秒移动一层 |
QSet<int> 选用理由：目标楼层集合需要高效的去重与删除，QSet 提供平均 O(1) 的插入、删除和查找操作，适合频繁更新的场景。内部基于红黑树实现的自排序特性（QSet 底层使用 QHash 结合排序）也可便于方向决策时快速获取最近/最远目标。
每部电梯的运行状态由方向枚举 Direction 控制，形成三态状态机，状态转移图如下：
stateDiagram-v2
[*] --> Stop : 初始状态
Stop --> Up : 收到请求(目标楼层 > 当前楼层)
Stop --> Down : 收到请求(目标楼层 < 当前楼层)
Up --> Up : 同向还有请求(上方)
Up --> Down : 上方无请求<br/>但下方有请求
Up --> Stop : 无任何请求
Down --> Down : 同向还有请求(下方)
Down --> Up : 下方无请求<br/>但上方有请求
Down --> Stop : 无任何请求
Stop --> Stop : 无请求时保持停止
note right of Up : 电梯向上移动中<br/>处理上行请求
note right of Down : 电梯向下移动中<br/>处理下行请求
note right of Stop : 电梯静止<br/>等待新请求
状态转换规则：
1.stop → up / down
电梯从静止启动，当有内部或外部请求加入且目标楼层不同于当前位置时，根据目标楼层与当前楼层的相对关系确定方向（目标在上方则上行，在下方则下行）。
2.up / down → stop
当前方向上不再有任何待服务目标时，电梯停止。
3.up ↔ down（转向）
当电梯沿当前方向到达最远目标后，若反方向仍有待服务目标，则自动反转方向继续服务。此行为体现了 LOOK 算法的核心特征：不需要到达物理端点即可转向。
该算法是系统的核心调度逻辑，在外部按钮触发新请求时被调用，从 5 部电梯中选出代价最低的一部。
算法思路：
对每部电梯计算一个综合代价值 cost，由以下因素加权求和得到：
| 成本因素 | 计算公式 | 权重/说明 |
| -------- | ----------------------- | ------------------------------------------------------------------------------ |
| 基础距离 | abs(pos - floor) * 10 | 距离乘以 10 作为基础成本，使距离差异在代价中占主导地位 |
| 空闲电梯 | 无额外成本 | 空闲电梯不附加任何方向惩罚，仅按基础距离评估 |
| 同向顺路 | 无额外成本 | 电梯运行方向与请求方向相同且请求在前进路径上，无需附加成本 |
| 同向逆路 | +100 | 电梯运行方向与请求方向相同但请求在身后，需先走完当前方向再回头，附加较大惩罚 |
| 反向 | +200 | 电梯运行方向与请求方向相反，需完成当前方向全部任务后才能反向服务，附加最大惩罚 |
| 任务负载 | targets.size() * 30 | 已有任务数量乘以负载因子，防止单部电梯被分配过多任务而导致其他请求等待时间过长 |
综合代价公式：
cost = abs(pos - floor) × 10 + direction_penalty + targets.size() × 30
其中 direction_penalty 的取值为：
- 空闲或同向顺路：
0 - 同向逆路：
100 - 方向相反：
200
最终选择 cost 最小的电梯作为分配目标。若有多个电梯代价相同，选择下标较小的（代码中按升序遍历，先遇到的保留）。
源代码：
// 最佳电梯选择
intMainWindow::findBestElevator(intfloor, intreqDir)
{
int best = -1;
int minCost = INT_MAX;
// 计算最低成本
for (int i = 0; i < ELEVATOR_NUM; ++i)
{
int pos = m_elevator[i];
Direction dir = m_elevator_direction[i];
// 基础距离成本，乘10方便加权计算
int bestDist = std::abs(pos - floor) * 10;
int cost = bestDist;
if (dir == Direction::stop)
; // 空闲电梯，无需计算其他成本
// 同向顺路，也无需计算其他成本
elseif ((reqDir == Direction::up && dir == Direction::up && floor >= pos) ||
(reqDir == Direction::down && dir == Direction::down && floor <= pos))
;
// 同向但是不顺路，增加一定cost
elseif ((reqDir == Direction::up && dir == Direction::up && floor < pos) ||
(reqDir == -1 && dir == -1 && floor > pos))
cost += 100;
// 方向相反
else
cost += 200;
// 加入已有任务量的cost，避免饥饿
cost += m_elevator_targets[i].size() * 30;
// 更新最小cost
if (cost < minCost)
{
minCost = cost;
best = i;
}
}
return best;
}
设计原则分析：
- 基础距离乘以 10 使其在代价计算中占主导地位，保证了距离优先的原则（类似 SSTF）；
- 方向惩罚权重（100/200）使得顺路电梯优先于逆路/反向电梯，体现 LOOK 算法的"沿当前方向优先服务"思想；
- 负载因子（30）有效缓解饥饿问题——已承担较多任务的电梯对后续请求的"吸引力"降低，自然将新请求导向负载较轻的电梯；
- 权重值的差异化设计（10 : 30 : 100 : 200）经过了合理的量级分隔，确保各因素在决策中发挥预期作用而不会互相淹没。
该算法由定时器以 500ms 为周期驱动执行，每次调用完成一轮电梯状态更新，包括：到达判断、方向决策和位置移动。
步骤一：到达判断与服务完成
// 迭代判断
int current = m_elevator[i]; // 当前电梯位置
Direction dir = m_elevator_direction[i]; // 当前电梯方向
// 内呼：移除当前位置
if (m_elevator_targets[i].contains(current))
{
m_elevator_targets[i].remove(current);
}
// 向上的外呼
if (current != HEIGHT && m_external_assignment[current][0] == i)
{
m_external_assignment[current][0] = -1;
// 复位对应按钮
int floorIdx = HEIGHT - current;
m_up_button[floorIdx]->blockSignals(true);
m_up_button[floorIdx]->setChecked(false);
m_up_button[floorIdx]->blockSignals(false);
}
// 向下的外呼
if (current != 1 && m_external_assignment[current][1] == i)
{
m_external_assignment[current][1] = -1;
// 复位对应按钮
int floorIdx = HEIGHT - current;
m_down_button[floorIdx]->blockSignals(true);
m_down_button[floorIdx]->setChecked(false);
m_down_button[floorIdx]->blockSignals(false);
}
当电梯到达目标楼层时，从任务集合中移除该目标。若该目标来自外部请求，同时清除分配记录并复位对应楼层的外部按钮状态（通过 blockSignals 阻断信号以避免递归触发调度逻辑）。
步骤二：方向决策（LOOK 算法规范）
// 方向决策
if (m_elevator_targets[i].isEmpty())
dir = Direction::stop;
else
{
bool isInDir = false;
for (int t : m_elevator_targets[i])
{
if ((dir == 1 && t > current) || (dir == -1 && t < current))
{
isInDir = true;
break;
}
}
if (!isInDir)
{
// 检查反方向有无请求
bool hasAbove = false, hasBelow = false;
for (int t : m_elevator_targets[i])
{
if (t > current)
hasAbove = true;
if (t < current)
hasBelow = true;
}
// 反方向有请求：转向
if (dir == Direction::up && hasBelow)
dir = Direction::down;
elseif (dir == Direction::down && hasAbove)
dir = Direction::up;
// 从静止启动
elseif (dir == Direction::stop)
{
int first = *m_elevator_targets[i].begin(); // set 自动排序
dir = (first > current) ? Direction::up : Direction::down;
}
}
} // 方向决策结束
m_elevator_direction[i] = dir;
此逻辑体现了 LOOK 算法的核心特征：电梯沿当前方向移动，优先服务该方向上的所有请求；当该方向不再有目标时立即反转方向（不走到物理端点）；若任务集合为空则停止。
步骤三：位置移动
// 电梯移动一层
if (dir != Direction::stop)
{
int next = current + (dir == Direction::up ? 1 : -1);
if (next >= 1 && next <= HEIGHT)
m_elevator[i] = next;
else
m_elevator_direction[i] = Direction::stop; // 边界
}
电梯每次移动一层，到达边界时自动停止（实际运行中此情况极少发生，因为 LOOK 算法会在到达端点前转向）。
内部请求（电梯内输入目标楼层）：
用户输入目标楼层 → 校验（1~20）→ 加入 m_elevator_targets[elevIdx]
→ 若电梯静止：根据目标楼层相对位置设置方向 → 等待定时器驱动执行
外部请求（楼层按钮按下）：
用户按下楼层按钮 → onExternalRequest()
→ 已分配检查（避免重复分配）
→ findBestElevator() 计算最优电梯
→ 记录分配关系 m_external_assignment[floor][dir] = best
→ 加入 m_elevator_targets[best]
→ 若分配电梯静止：设置方向 → 等待定时器驱动执行
请求取消（楼层按钮弹起）：
用户弹起楼层按钮 → onExternalRequest(checked=false)
→ 查找分配的电梯 → 从目标集合移除该楼层
→ 清除分配记录 → 复位按钮状态
程序主界面采用左右分区布局：左侧为楼层视图（展示各楼层及上下行按钮、可视化电梯位置），右侧为 5 部电梯的控制面板（分别显示当前楼层数码管、运行方向、目标楼层输入框及待服务任务列表）。
左侧网格布局展示全部 20 层楼的楼层标签、上行/下行按钮，并在对应列显示 5 部电梯的实时位置（以彩色标签标注）。电梯位置随定时器驱动实时刷新，直观反映各电梯当前所在楼层。
每部电梯拥有独立的控制面板，包含：
-
LCD 数码管：显示当前所在楼层
-
方向指示器：以箭头和文字显示当前运行方向（上行/下行/停止）
-
楼层输入框：接收 1～20 的目标楼层输入
-
确认按钮：确认目标楼层请求
-
任务列表：实时显示该电梯当前所有待服务的目标楼层
程序充分利用 Qt6 的信号槽机制实现松耦合的事件驱动架构。对外部按钮的 toggled 信号连接调度入口 onExternalRequest，对确认按钮的 clicked 信号连接内部请求分发 floorRequested，通过自定义信号在对象间传递数据而无需直接持有对象引用。
以 QTimer 作为核心驱动，每 500ms 触发一次 updateElevators() + updateElevatorDisplay() 的联合刷新。这种设计使得电梯移动的速度统一可控，所有电梯在同一时钟周期内完成位置更新与界面刷新，避免了多线程同步的复杂性。
调度算法中的权重参数（10、30、100、200）经过了区分度的考虑：
- 距离权重（×10）确保距离为第一优先级
- 负载权重（×30）意味着 3 层楼的距离当量约等于 1 个已分配任务的惩罚，约 7 层楼当量可抵消方向相反惩罚
- 这样的参数设计使得：在同距离条件下，空闲电梯 > 同向顺路电梯 >> 同向逆路电梯 >> 反向电梯 >> 高负载电梯，形成了合理的优先级梯队