面试题：进程管理之复杂场景下时间片轮转调度算法优化

Question

假设系统中同时存在I/O密集型和CPU密集型进程，且进程的优先级会根据其运行历史动态调整。在这种复杂场景下，如何对时间片轮转调度算法进行优化，以确保各类进程都能得到合理的资源分配，并且尽可能提高系统的整体吞吐量和响应速度？请详细描述优化方案及实现步骤。

Answer 1

优化方案

1. 区分进程类型：
   • 通过监控进程的I/O操作频率、CPU占用时长等指标，对I/O密集型和CPU密集型进程进行分类识别。例如，设定一个I/O操作次数阈值，若进程在单位时间内I/O操作次数超过该阈值，可判定为I/O密集型进程；反之，为CPU密集型进程。
2. 动态调整时间片：
   • 为I/O密集型进程分配较短的时间片。因为这类进程经常会因I/O操作而阻塞，短时间片能让它们在有I/O请求时尽快让出CPU，使得其他进程有机会运行，提高CPU利用率和系统响应速度。
   • 为CPU密集型进程分配较长的时间片。这类进程需要大量CPU计算资源，较长时间片可减少进程切换开销，提高计算效率。时间片的具体长度可根据系统中进程的平均I/O操作频率和CPU计算量等统计数据动态调整。
3. 优先级调整策略：
   • 对于I/O密集型进程，每次完成I/O操作后，适当提高其优先级。因为I/O操作完成后，它急需CPU时间来处理I/O结果，提高优先级可使其尽快获得CPU资源。
   • 对于CPU密集型进程，随着其连续占用CPU时间的增加，适当降低其优先级。避免这类进程长时间独占CPU，影响其他进程的响应。优先级调整幅度可根据进程类型和系统负载情况动态确定。
4. 引入多级反馈队列：
   • 创建多个不同优先级的队列，每个队列对应不同的时间片长度。高优先级队列时间片短，低优先级队列时间片长。
   • 新进程首先进入最高优先级队列，根据其运行情况，若在一个时间片内未完成，将其移至下一级队列。I/O密集型进程完成I/O操作后，可提升至较高优先级队列。
   • 定期检查各队列中的进程，将低优先级队列中等待时间过长的进程提升到较高优先级队列，防止进程饥饿。

实现步骤

1. 进程分类模块：
   • 在操作系统内核中添加进程监控代码，周期性地统计每个进程的I/O操作次数和CPU占用时间。
   • 根据设定的阈值，将进程标记为I/O密集型或CPU密集型，并将该信息记录在进程控制块（PCB）中。
2. 时间片分配模块：
   • 在调度器中，根据进程类型从PCB中获取进程类别信息。
   • 依据预先设定的时间片分配规则，为不同类型进程分配相应长度的时间片。
3. 优先级调整模块：
   • 在进程完成I/O操作或连续占用CPU一定时间后，调度器根据优先级调整策略，修改进程PCB中的优先级字段。
   • 调度器在每次选择进程运行时，优先选择优先级高的进程。
4. 多级反馈队列实现：
   • 在操作系统内核中创建多个队列数据结构，每个队列对应不同优先级和时间片长度。
   • 进程调度时，调度器优先从高优先级队列中选择进程运行。若队列为空，则依次从低优先级队列中选择。
   • 按照进程在队列中的运行情况和I/O操作完成情况，实现进程在不同队列间的迁移。
   • 定期执行队列提升操作，确保低优先级队列中的进程不会长时间得不到运行机会。