面试题：进程管理之专家难度：复杂系统中公平性与效率的深度优化

Question

在一个大规模云计算数据中心的操作系统环境中，运行着多种类型、不同优先级的任务，资源动态变化且用户对响应时间和资源利用率都有较高要求。现有一套基于优先级队列的调度算法，你需要对其进行优化以更好地兼顾公平性与效率。请详细描述你的优化思路，包括可能涉及的数据结构调整、调度规则改变以及如何评估优化后的效果。

Answer 1

优化思路

1. 数据结构调整
   • 引入多层次队列：除了原有的优先级队列，可增加不同层次的队列，例如分为高、中、低优先级队列，每个队列内部再使用优先级队列结构。这样能更细粒度地管理任务，对不同类型任务进行分类处理。
   • 使用最小堆或最大堆：在每个优先级队列内部，采用堆数据结构来维护任务。最小堆适用于优先级数字越小优先级越高的情况，最大堆反之。这样在获取最高优先级任务时能以 O(log n) 的时间复杂度完成，提高效率。
2. 调度规则改变
   • 时间片轮转结合优先级：对于高优先级队列，给予相对较长的时间片，以确保重要任务能快速完成；对于中、低优先级队列，时间片相应缩短。当一个任务在其时间片内未完成时，将其重新插入到对应优先级队列末尾，保证公平性。
   • 动态优先级调整：任务在队列中等待时间过长时，适当提高其优先级，避免低优先级任务饥饿。同时，对于占用资源较多但优先级较低的任务，在资源紧张时，可适当降低其优先级，优先保障高优先级且资源需求合理的任务。
   • 资源预留与共享：为高优先级任务预留一定比例的资源，确保其响应时间。但在高优先级任务空闲时，这些预留资源可由低优先级任务共享，提高资源利用率。
3. 评估优化后的效果
   • 响应时间：记录不同优先级任务从提交到开始执行的时间，以及任务完成时间，计算平均响应时间和最大响应时间。对比优化前后这些指标，若平均响应时间缩短，最大响应时间减小，说明优化在响应时间方面有积极效果。
   • 资源利用率：监控 CPU、内存等关键资源的使用情况，计算资源利用率。优化后资源利用率应有所提高，且不会因资源过度分配给高优先级任务而导致低优先级任务无法执行。
   • 公平性：统计不同优先级任务获得的资源量和执行时间占比。公平性好意味着各优先级任务都能按合理比例获得资源和执行时间，避免某一优先级任务独占资源。可通过计算任务执行时间的标准差等统计指标来衡量公平性，标准差越小，公平性越好。