面试题：进程管理之优先级调度策略在复杂场景下的高级问题

Question

在一个实时多任务操作系统中，有周期性任务和非周期性任务混合的情况。周期性任务T1周期为20ms，执行时间为5ms，优先级4；T2周期为30ms，执行时间为8ms，优先级3。非周期性任务N1到达时间为15ms，执行时间为10ms，优先级5；N2到达时间为25ms，执行时间为6ms，优先级2。请设计一个基于优先级调度策略的调度方案，保证周期性任务满足截止时间要求，并说明如何处理非周期性任务插入对系统整体性能的影响以及如何动态调整优先级以优化系统资源利用。

Answer 1

调度方案设计

1. 时间轴分析
   • 以0时刻为起始点，T1周期为20ms，执行时间5ms；T2周期为30ms，执行时间8ms。
   • N1在15ms到达，执行时间10ms；N2在25ms到达，执行时间6ms。
2. 调度过程
   • 0 - 5ms：执行T1，因为T1优先级为4，且此时是起始时刻，没有其他更高优先级任务。
   • 5 - 15ms：执行T2，T2优先级为3，此时没有比T2优先级更高且需要执行的任务。
   • 15 - 25ms：N1到达，优先级为5，高于T2，所以执行N1。
   • 25 - 30ms：N2到达，优先级为2，低于当前正在执行的N1，N1继续执行。
   • 30 - 35ms：T1新周期开始，T1优先级为4，高于N2，执行T1。
   • 35 - 40ms：继续执行N1，N1还未执行完，且此时没有比N1优先级更高的任务。
   • 40 - 46ms：执行N2。
   • 46 - 50ms：T1新周期开始，执行T1。
   • 50 - 58ms：T2新周期开始，执行T2。

通过这样的调度，可以保证周期性任务T1和T2满足截止时间要求。

非周期性任务插入对系统整体性能的影响及处理

1. 影响
   • 非周期性任务的插入可能导致周期性任务的执行延迟。例如N1在15ms到达，打断了T2的执行，可能使T2的执行时间后移，接近其截止时间。
   • 可能增加系统的响应时间，特别是对于那些对响应时间敏感的周期性任务。
2. 处理
   • 采用抢占式优先级调度，确保高优先级的非周期性任务能够及时执行，但同时要限制其执行时间，避免长时间占用CPU导致周期性任务错过截止时间。
   • 为周期性任务预留一定的CPU时间片，例如可以设置一个时间窗口，在这个窗口内优先保证周期性任务的执行，窗口外处理非周期性任务。

动态调整优先级以优化系统资源利用

1. 调整策略
   • 基于任务的紧急程度动态调整优先级。例如，对于周期性任务，如果其剩余执行时间接近截止时间，可以适当提高其优先级，确保其能按时完成。
   • 对于非周期性任务，如果其执行时间过长且优先级较高，可以随着执行时间的增加逐渐降低其优先级，避免其长时间占用资源影响其他任务。
2. 实现方式
   • 可以在操作系统内核中设置一个优先级调整模块，定期检查任务的执行状态、剩余时间等参数，根据预设的调整策略动态调整任务优先级。同时，要确保调整过程的稳定性，避免频繁调整优先级导致系统开销过大。