面试题：进程管理之专家难度：复杂场景下进程调度实现系统吞吐量最大化

Question

考虑一个多核处理器环境，存在I/O 密集型和CPU密集型混合的进程，且进程之间存在资源依赖关系。请设计一套进程调度方案，确保系统吞吐量最大化，并详细描述如何解决资源竞争、进程饥饿以及多核负载均衡等问题。同时，说明该方案在不同工作负载变化情况下的适应性和鲁棒性。

Answer 1

进程调度方案设计

1. 基于优先级的调度算法：
   • 为不同类型进程分配不同优先级。I/O 密集型进程优先级相对较高，因为它们大部分时间在等待 I/O 完成，让出 CPU 时间给其他进程能提高整体资源利用率。CPU 密集型进程优先级稍低，但并非最低，以确保有机会执行。
   • 优先级可根据进程的资源需求历史动态调整。例如，如果一个 I/O 密集型进程近期 I/O 操作很少，可适当降低优先级；而 CPU 密集型进程如果长时间未得到执行，可提高其优先级。
2. 时间片轮转结合优先级：
   • 为每个进程分配一个时间片。优先级高的进程时间片可稍短，确保它们能频繁获取 CPU 执行 I/O 请求，但不会长时间占用 CPU。优先级低的 CPU 密集型进程时间片稍长，减少上下文切换开销。
   • 当一个进程时间片用完后，如果其优先级未改变且仍在就绪队列中，它将回到就绪队列尾部等待下次调度。

解决资源竞争问题

1. 资源分配图算法：
   • 构建资源分配图，图中节点表示进程和资源，边表示进程对资源的请求或占有关系。
   • 通过算法（如银行家算法的变种）检查资源分配图是否存在死锁环。若存在，则通过剥夺某些进程的资源来打破死锁环。例如，剥夺优先级较低进程的资源给优先级高且等待该资源的进程。
2. 资源锁机制：
   • 为每个资源设置锁。进程在请求资源时先获取锁，确保同一时间只有一个进程能访问该资源。
   • 采用公平锁策略，避免某些进程长时间等待资源。例如，按照请求顺序分配锁，先进先出。

解决进程饥饿问题

1. 老化机制：
   • 随着进程在就绪队列中等待时间增加，逐渐提高其优先级。例如，每等待一个时间单位，优先级增加一个固定值。
   • 设定一个最大等待时间阈值，当进程等待时间超过该阈值时，直接将其优先级提升到最高，确保其能尽快执行。
2. 反馈队列：
   • 将就绪队列分成多个优先级队列。新进程进入最高优先级队列，每次时间片用完后，若未完成则进入下一级优先级队列。
   • 定期将低优先级队列中的进程提升到高优先级队列，确保低优先级进程也有机会执行。

解决多核负载均衡问题

1. 任务迁移：
   • 监控每个核心的负载情况，可通过统计 CPU 利用率、进程数量等指标。当某个核心负载过高，而其他核心负载较低时，将部分进程从高负载核心迁移到低负载核心。
   • 选择合适的迁移时机，如在进程时间片结束或进入 I/O 等待时进行迁移，减少迁移开销。
2. 亲和性调度：
   • 记录进程上次执行的核心，并尽量将其调度到同一核心上执行。这样可以利用 CPU 缓存，提高执行效率。
   • 当负载不均衡时，适当打破亲和性，进行进程迁移以平衡负载。

方案在不同工作负载变化情况下的适应性和鲁棒性

1. 适应性：
   • 工作负载增加：动态优先级调整和时间片分配机制可适应更多进程竞争资源的情况。高优先级的 I/O 密集型进程仍能优先获取资源，CPU 密集型进程也能通过老化机制获得执行机会。负载均衡机制会更加频繁地进行任务迁移，以平衡多核负载。
   • 工作负载减少：各进程能更轻松获取资源，优先级调整和时间片分配相对稳定，系统资源利用率仍能保持较高水平，避免资源浪费。
2. 鲁棒性：
   • 面对突发 I/O 高峰：由于 I/O 密集型进程优先级较高，它们能及时获取资源执行 I/O 操作。资源分配图算法和锁机制可有效处理因 I/O 资源竞争可能导致的死锁问题。
   • 面对突发 CPU 高峰：CPU 密集型进程通过老化机制和反馈队列能逐渐提高优先级，获得更多执行时间。负载均衡机制可将过多的 CPU 密集型进程分散到不同核心，确保系统不会因单个核心负载过高而性能下降。