面试题：进程管理中调度算法对系统性能的影响

Question

假设一个系统中有多个进程，包括I/O 密集型和 CPU 密集型进程，设计一个调度策略，既能保证 I/O 设备的充分利用，又能提高 CPU 的利用率，阐述该调度策略的实现思路及对系统整体性能的影响。

Answer 1

调度策略实现思路

1. 分级调度：采用多级反馈队列调度算法。将进程划分到不同优先级的队列中，优先级高的队列先调度。例如，可设置3 - 5个队列，I/O 密集型进程初始放入高优先级队列，CPU 密集型进程放入较低优先级队列。
2. 时间片分配：高优先级队列的时间片短，低优先级队列的时间片长。I/O 密集型进程在高优先级队列能快速得到处理，且因时间片短，能及时让出 CPU 给其他进程，以便及时响应 I/O 请求。如高优先级队列时间片设为10ms，低优先级队列设为100ms。
3. 动态调整：进程在执行过程中，若其 CPU 占用时间过长（即表现为 CPU 密集型），则将其移到更低优先级队列；若进程频繁进行 I/O 操作（即表现为 I/O 密集型），则将其移到更高优先级队列。例如，设置一个时间阈值 T，若进程连续占用 CPU 时间超过 T，则降低优先级；若进程在一定时间内频繁发起 I/O 操作，且成功完成多次 I/O 操作，则提高优先级。
4. I/O 等待处理：当一个进程发起 I/O 请求进入等待状态时，调度程序立即从就绪队列中选择另一个进程执行，充分利用 CPU 时间。

对系统整体性能的影响

1. I/O 设备利用率提高：I/O 密集型进程优先级高且时间片短，能快速得到调度执行，及时发起 I/O 请求，使得 I/O 设备有更多机会被使用，减少 I/O 设备空闲时间，提高其利用率。
2. CPU 利用率提高：一方面，CPU 密集型进程虽然优先级低，但由于时间片长，能在 CPU 空闲时持续运行，充分利用 CPU 资源；另一方面，当 I/O 密集型进程等待 I/O 操作完成时，调度程序会安排其他进程（包括 CPU 密集型进程）占用 CPU，避免 CPU 空闲，从而提高 CPU 利用率。
3. 系统响应时间改善：对于 I/O 密集型进程，因其优先级高，能快速被调度执行，及时处理用户交互等操作，提高了系统的响应速度，用户体验更好。
4. 系统吞吐量增加：通过合理调度 I/O 密集型和 CPU 密集型进程，充分利用系统资源，减少进程等待时间，使得单位时间内完成的进程数量增多，提高了系统的吞吐量。