面试题：进程管理之高级难度：特定场景下公平性与效率的权衡

Question

假设你在开发一个实时操作系统，用于工业自动化生产线的控制。在这个场景下，一方面要确保关键控制进程的实时响应（效率），另一方面也要保证其他辅助进程能得到合理的资源分配（公平性）。请描述你会设计怎样的进程调度策略来实现这种平衡。

Answer 1

1. 采用多级反馈队列调度算法的改进版本

1. 队列划分
   • 实时关键控制进程队列：优先级最高，采用抢占式调度。这个队列专门用于存放对实时响应要求极高的工业自动化生产线控制关键进程，比如控制机械臂精确动作的进程等。当此队列中有进程时，系统优先调度该队列中的进程执行，且一旦有新的关键控制进程进入该队列，正在执行的其他低优先级队列进程会被立即抢占。
   • 辅助进程高优先级队列：对于一些对实时性有一定要求但低于关键控制进程的辅助进程，如监控设备状态的进程等，放入此队列。该队列采用时间片轮转调度，时间片相对较短，以保证这些进程能及时得到执行机会，确保其对生产线状态的监控及时性。
   • 辅助进程低优先级队列：存放一般性的辅助进程，如日志记录进程等。此队列同样采用时间片轮转调度，但时间片相对较长，以在保证关键进程和高优先级辅助进程执行的前提下，为这些进程分配一定的资源。
2. 进程迁移
   • 当一个关键控制进程执行完其任务后，它可能会根据任务性质被迁移到辅助进程高优先级队列（如果后续还有相关辅助监控任务）或被终止。
   • 辅助进程高优先级队列中的进程，如果在一定时间内没有完成任务且其对实时性的要求降低，可迁移到辅助进程低优先级队列。这样可以根据进程的实时性需求动态调整其优先级和调度队列，既保证关键进程的实时响应，又兼顾辅助进程的资源分配公平性。

2. 基于截止时间的调度算法结合优先级

1. 关键控制进程
   • 为每个关键控制进程分配一个绝对截止时间，系统采用最早截止时间优先（EDF）算法进行调度。例如，对于控制生产线传送带速度的关键进程，它可能有一个严格的截止时间来调整速度以匹配生产节奏。在调度时，系统总是选择截止时间最早的关键控制进程执行，确保关键控制进程的实时响应。
2. 辅助进程
   • 辅助进程也根据其任务性质分配优先级。对于优先级较高的辅助进程，在关键控制进程执行间隙，按照优先级高低进行调度。对于优先级较低的辅助进程，系统会在满足关键控制进程和高优先级辅助进程执行需求的基础上，利用剩余的系统资源以时间片轮转的方式进行调度。同时，对于辅助进程的截止时间也进行一定考量，对于有截止时间要求的辅助进程，在调度时适当提高其优先级，保证在截止时间前完成任务，从而实现资源分配的公平性。

3. 资源预留与动态分配

1. 资源预留
   • 为关键控制进程预留一定比例的系统资源，如 CPU 时间、内存等。例如，预留 60%的 CPU 时间给关键控制进程，确保无论系统负载如何，关键控制进程都能获得足够的资源以保证其实时响应。
2. 动态分配
   • 剩余的资源根据辅助进程的优先级和资源需求进行动态分配。可以通过监测系统资源使用情况和辅助进程的运行状态，动态调整资源分配比例。例如，如果某个高优先级辅助进程任务量突然增大，可适当增加分配给它的资源比例；而当系统中关键控制进程负载较轻时，可将预留资源的一部分临时分配给辅助进程，从而在保证关键进程实时性的同时，兼顾辅助进程资源分配的公平性。