面试题：进程管理之优先级调度公平性的权衡

Question

在实际应用中，优先级调度进程算法的公平性保障可能会与系统性能产生冲突，例如某些高优先级任务可能因公平性策略而被延迟执行。请分析这种冲突产生的原因，并提出至少两种平衡公平性与性能的方法及原理。

Answer 1

冲突产生原因

1. 资源竞争：系统资源有限，高优先级任务期望优先获取资源以保证性能，但公平性策略会限制其获取资源的频率和时长，从而导致性能受损。例如在多核CPU环境下，高优先级任务可能被公平策略分配到较少的CPU时间片，影响其执行效率。
2. 调度策略影响：公平性策略往往倾向于平等对待所有任务，可能忽略了高优先级任务对时效性的特殊要求。例如采用时间片轮转调度方式实现公平性时，高优先级任务的紧急性无法得到充分体现，可能会出现延迟执行的情况。

平衡公平性与性能的方法及原理

1. 多级反馈队列调度算法
   • 方法：将进程放入多个不同优先级的队列中，每个队列有不同的时间片长度。高优先级队列的时间片较短，低优先级队列的时间片较长。新进程首先进入最高优先级队列，若在该队列时间片内未执行完，则降低到下一级队列。
   • 原理：一方面，高优先级任务在高优先级队列中能优先执行，保证了性能；另一方面，随着任务在队列间移动，低优先级任务也能获得足够的执行机会，兼顾了公平性。例如，对于交互性高的高优先级任务，能在较短时间片内响应，而批处理等低优先级任务在低优先级队列有较长时间片，不至于长时间得不到执行。
2. 基于权重的调度算法
   • 方法：为每个任务分配一个权重，根据权重比例来分配系统资源。权重越高的任务，获得的资源越多。例如，高优先级任务权重设为10，低优先级任务权重设为1，那么在资源分配时，高优先级任务获得的资源是低优先级任务的10倍。
   • 原理：通过权重来体现任务的优先级差异，既保证了高优先级任务的性能，又通过按比例分配资源保证了低优先级任务的公平性。这样，不同优先级任务根据其权重合理获取资源，避免了因过度追求公平性而牺牲高优先级任务性能的情况。
3. 动态优先级调整算法
   • 方法：根据任务的执行情况动态调整其优先级。例如，任务等待时间过长，适当提高其优先级；任务执行时间过长，适当降低其优先级。
   • 原理：对于等待时间长的任务，提高优先级可使它更快得到执行，体现公平性；对于执行时间长的任务，降低优先级可避免其长时间占用资源，保证其他任务的执行机会，同时也不影响整体性能。例如，一个长时间等待的低优先级I/O任务，通过动态优先级调整，可以在合适时机提升优先级获得执行，而一直占用CPU的高优先级计算任务，在执行一定时间后降低优先级，让其他任务也能使用CPU资源。