面试题：进程管理之复杂场景下优先级调度公平性优化

Question

假设在一个多核、多任务且实时性要求较高的操作系统环境中，有大量不同优先级的进程，其中包括关键的实时进程和普通用户进程。现有的优先级调度算法在保障公平性方面出现了资源分配不合理，导致实时进程偶尔错过截止时间的问题。请设计一套优化方案，详细阐述如何在保证公平性的同时，满足实时进程的时间约束，并且说明该方案在不同负载情况下的适应性和扩展性。

Answer 1

优化方案设计

1. 引入双队列调度：
   • 实时进程队列：专门用于存放实时进程。该队列采用抢占式优先级调度算法，即当有更高优先级的实时进程进入队列时，正在运行的实时进程会被立即抢占。实时进程的优先级按照其截止时间的紧迫程度动态调整，截止时间越近，优先级越高。
   • 普通用户进程队列：存放普通用户进程。此队列采用时间片轮转调度算法，每个普通用户进程被分配一个固定时间片，时间片用完后，进程回到队列末尾等待下一轮调度。这样保证了普通用户进程之间的公平性。
2. 动态优先级调整：
   • 实时进程：除了基于截止时间调整优先级外，当实时进程在运行过程中，若系统负载过高，为了确保其能在截止时间前完成，适当提升其优先级。例如，通过计算实时进程剩余执行时间与剩余截止时间的比值，若该比值大于某个阈值（如0.8），则提升其优先级一档。
   • 普通用户进程：根据进程的等待时间进行优先级调整。等待时间越长，优先级越高。这样可以避免普通用户进程因长期等待而“饿死”。例如，每等待一个固定时间间隔（如100ms），其优先级提升一档。
3. 调度策略：
   • 系统优先调度实时进程队列中的进程。只有当实时进程队列为空时，才调度普通用户进程队列中的进程。
   • 在实时进程调度中，若有新的实时进程进入队列且其优先级高于当前运行的实时进程，立即进行进程切换。对于普通用户进程，在其时间片内不会被实时进程抢占，以保证一定的公平性。

不同负载情况下的适应性

1. 低负载情况：
   • 实时进程由于数量较少，几乎不会错过截止时间。普通用户进程能在较短的等待时间内获得时间片，系统资源分配较为均衡，公平性和实时性都能很好地满足。
   • 动态优先级调整机制对实时进程和普通用户进程影响较小，因为进程间竞争资源不激烈。
2. 高负载情况：
   • 实时进程通过动态优先级提升机制，能在资源紧张时获得更多的执行机会，保证其截止时间。例如，若实时进程A的截止时间临近，其优先级会被提升，从而优先于其他实时进程或普通用户进程执行。
   • 普通用户进程虽然会因实时进程抢占资源而等待时间变长，但通过基于等待时间的优先级提升，也能逐渐获得更多执行机会，一定程度上保证了公平性。

扩展性

1. 进程数量增加：双队列调度机制可以很好地适应进程数量的增加。实时进程队列和普通用户进程队列分别管理不同类型进程，不会因为进程总数增多而导致调度混乱。例如，新增实时进程只需加入实时进程队列，按照其截止时间确定优先级即可；新增普通用户进程加入普通用户进程队列，按照时间片轮转调度。
2. 优先级层次细化：若需要更细致的优先级层次，可以在实时进程队列和普通用户进程队列内部进一步划分优先级子队列。比如，实时进程队列可按照截止时间范围划分为高、中、低优先级子队列，不同子队列采用不同的调度策略（如高优先级子队列采用更激进的抢占策略），从而进一步优化调度性能，而无需对整体调度框架进行大规模改动。