面试模拟场景
面试官: 你能介绍一下几种常见的进程调度算法及其流程吗？
参考回答示例
进程调度是操作系统管理进程的核心功能，负责在多任务环境中分配CPU时间给各个进程。常见的进程调度算法包括先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、优先级调度、轮转调度（RR）以及多级反馈队列调度等。
1. 先来先服务（FCFS, First-Come, First-Served）
概念:
- FCFS 是最简单的调度算法，按照进程到达就绪队列的顺序分配CPU。先到的进程优先获得CPU执行权。
流程:
- 队列顺序: 所有进入就绪队列的进程按照到达的顺序排队。
- 执行顺序: 队列中的第一个进程获得CPU，执行直到完成。
- 队列更新: 执行完成后，进程退出队列，操作系统选择下一个进程继续执行。
优点:
- 简单易实现: FCFS 算法非常简单，易于实现。
- 公平: 每个进程按到达顺序执行，不会被饿死。
缺点:
- 低效率: 如果第一个进程是长作业，会导致后续短作业等待较长时间，产生Convoy Effect。
- 平均等待时间长: 由于长作业占据CPU时间，导致其他进程的平均等待时间较长。
示例:
进程到达顺序: P1, P2, P3
执行顺序: P1 -> P2 -> P3
2. 短作业优先（SJF, Shortest Job First）
概念:
- SJF 根据进程的估计执行时间进行调度，优先选择执行时间最短的进程。SJF 可以是非抢占式或抢占式（也称为最短剩余时间优先, SRTF）。
流程:
- 估计执行时间: 系统估算每个进程的执行时间，并将进程放入就绪队列。
- 选择最短作业: 系统从就绪队列中选择执行时间最短的进程分配CPU。
- 执行与更新: 该进程执行完毕后，更新就绪队列，选择下一个最短作业。
优点:
- 优化周转时间: SJF 可以最小化平均周转时间，通常在最优情况下能提高系统效率。
- 适合短作业: 短作业优先保证了短进程可以快速完成，不会因长进程而被延迟。
缺点:
- 难以预测: 估计执行时间并不总是准确的，可能导致次优调度决策。
- 可能导致饥饿: 如果不断有短作业到达，长作业可能会长期得不到执行。
示例:
进程: P1(8), P2(4), P3(2)
执行顺序: P3 -> P2 -> P1
3. 优先级调度（Priority Scheduling）
概念:
- 优先级调度根据每个进程的优先级分配CPU时间。优先级高的进程先执行。优先级可以是静态的，也可以是动态的，并且调度可以是抢占式或非抢占式。
流程:
- 设置优先级: 每个进程被分配一个优先级。
- 选择高优先级进程: 系统选择就绪队列中优先级最高的进程分配CPU。
- 执行与更新: 该进程执行完毕后，队列更新，选择下一个优先级最高的进程执行。
优点:
- 灵活性: 可以根据进程的重要性调整优先级，实现灵活的资源分配。
- 快速响应: 重要的或紧急的任务可以通过高优先级快速得到响应。
缺点:
- 可能导致饥饿: 低优先级的进程可能永远得不到执行，特别是在高优先级任务不断到达的情况下。
- 复杂性: 需要设计合理的优先级分配策略，避免低优先级任务饿死。
解决饥饿问题:
- 优先级提升: 使用老化技术，随着时间的推移，低优先级的进程优先级逐渐提高，最终获得CPU时间。
示例:
进程: P1(优先级1), P2(优先级3), P3(优先级2)
执行顺序: P2 -> P3 -> P1
4. 轮转调度（RR, Round Robin）
概念:
- 轮转调度是一种抢占式调度算法，为每个进程分配一个固定时间片（Time Slice），并按顺序轮流分配CPU时间。如果进程在时间片内未完成，则挂起并放回队列末尾，等待下一轮执行。
流程:
- 设置时间片: 设定固定的时间片，所有进程均分配相同的时间片。
- 分配CPU: 按照FIFO顺序，从队列头部选择进程分配CPU，执行时间片长的时间。
- 队列更新: 如果进程未在时间片内完成，则放回队列末尾，等待下一次调度。
优点:
- 公平性: 所有进程得到相同的CPU时间片，适合时间共享系统。
- 响应时间短: 系统可以快速响应，特别适合需要快速响应的交互式任务。
缺点:
- 高上下文切换开销: 频繁的上下文切换会导致额外的开销，特别是在时间片较短时。
- 时间片大小的选择: 时间片过长，退化为FCFS；时间片过短，会增加上下文切换的开销。
示例:
进程: P1(10ms), P2(5ms), P3(8ms)
时间片: 4ms
执行顺序: P1(4ms) -> P2(4ms) -> P3(4ms) -> P1(6ms) -> P3(4ms) -> P2(1ms)
5. 多级反馈队列调度（Multilevel Feedback Queue Scheduling）
概念:
- 多级反馈队列调度是一种复杂且灵活的调度算法，使用多个队列来存放进程。每个队列有不同的优先级和时间片，进程可以根据其行为在不同的队列间动态调整。
流程:
- 初始化队列: 进程初始进入最高优先级队列。
- 分配时间片: 根据进程的运行时间和行为，系统在不同优先级的队列中分配不同的时间片。
- 调整队列: 如果进程在指定时间内未完成，则降低其优先级，放入较低优先级的队列；相反，如果进程表现较好，可以提升到更高优先级的队列。
优点:
- 灵活适应: 能够动态适应进程的行为，既照顾了短作业，也能处理长作业。
- 减少饥饿: 通过多级队列和反馈机制，有效避免了低优先级进程饥饿的问题。
缺点:
- 复杂性: 实现和管理多级反馈队列的复杂性较高，需要合理设计各级队列的时间片和优先级策略。
- 不确定性: 进程的最终调度顺序可能难以预测，可能影响某些实时任务的执行。
示例:
队列1: 时间片2ms, 队列2: 时间片4ms, 队列3: 时间片8ms
进程: P1, P2, P3
初始执行顺序: P1(队列1) -> P2(队列1) -> P3(队列1)
6. 总结
几种常见的进程调度算法各有其特点和适用场景：
- 先来先服务（FCFS）: 简单易实现，但可能导致Convoy Effect。
- 短作业优先（SJF）: 优化平均周转时间，但可能导致长作业饥饿。
- 优先级调度: 根据进程的重要性分配CPU，但需防止低优先级进程饥饿。
- 轮转调度（RR）: 公平分配时间片，适合交互式系统，但可能有较高的上下文切换开销。
- 多级反馈队列: 动态调整进程优先级，灵活且强大，但实现复杂。