UGC-NET CS 2017年12月2日 | 问题14

这是一道 UGC-NET (University Grants Commission-National Eligibility Test) 计算机科学考试的题目，需要求给定的进程调度算法在特定情况下的性能。

背景

进程调度是现代操作系统中的一个重要概念。在多个进程共享 CPU 资源的情况下，进程调度算法可以使 CPU 利用率最大化，尽可能地满足用户需求和系统要求。

题目描述

给定一个进程调度算法和一组进程，每个进程拥有一个到达时间和一个执行时间。算法将这些进程按一定的顺序分配给 CPU，以达到最佳性能。假设所有进程都可以在完成前终止，并且只有在所有进程完成后，CPU 才会被释放。我们需要计算这种算法在处理给定的进程时所需的时间。本题目中给定的调度算法是 Round Robin Scheduling (RRS)。

Round Robin Scheduling (RRS)

RRS 通过在等待队列中维护一个时间片轮回，以实现 CPU 时间的公平分配。例如，如果时间片大小为 5 个单位时间，则每个进程最多只能执行 5 个单位时间，然后被放回队列中，等待其他进程使用 CPU。

解题思路

对于本题中给定的进程，我们可以基于以下步骤计算出 RRS 的最佳性能：

1. 将所有进程按照到达时间进行排序。
2. 创建一个队列，将所有进程添加到队列中。
3. 创建一个长度为进程总数的数组，用于记录每个进程的剩余执行时间。
4. 当队列不为空时，执行以下操作：
   1. 取出队列首部的进程。
   2. 如果进程的剩余执行时间小于等于时间片大小，执行完该进程后，记录其完成时间（即当前时间），并从队列中删除该进程。
   3. 否则，执行进程所需的时间片大小，减少相应的剩余执行时间，并将该进程重新添加到队列的尾部。
   4. 记录在当前时间下该进程执行的结束时间（即当前时间加上时间片大小）。
   5. 将当前时间更新为上一步骤中的结束时间。
5. 计算出所有进程执行所需的总时间，以及平均等待时间，即所有进程等待时间之和除以进程总数。

代码实现

以下是采用 Python 语言，基于上述思路实现的程序代码：

def round_robin_scheduling(processes, quantum):
    n = len(processes)
    waiting_time, turnaround_time = 0, 0

    processes.sort(key=lambda x: x[0])
    queue = [(0, p[1], i) for i, p in enumerate(processes)]
    remaining_time = [p[1] for p in processes]
    curr_time = 0

    while queue:
        arrival_time, burst_time, process_id = queue.pop(0)
        if burst_time <= quantum:
            curr_time += burst_time
            turnaround_time += curr_time - arrival_time
            waiting_time += curr_time - arrival_time - remaining_time[process_id]
            remaining_time[process_id] = 0
        else:
            curr_time += quantum
            remaining_time[process_id] -= quantum
            queue.append((curr_time, remaining_time[process_id], process_id))

        if sum(remaining_time) == 0:
            break

    avg_waiting_time = waiting_time / n
    return curr_time, avg_waiting_time

程序接受两个参数：processes 表示进程列表，每个进程有两个参数：到达时间和执行时间；quantum 表示时间片的大小。程序计算出该算法在给定进程下所需的总时间及平均等待时间，以元组形式返回。

总结

本题目主要考察了在具体情景下，如何运用进程调度算法和数据结构，计算出操作系统中不同进程间的时间片轮转和时间片轮循等操作的执行时间。掌握了上述基础知识，就可以更好地理解现代操作系统的运作原理，进一步优化计算机软件性能。