UGC NET CS 2017 年 1 月至 2 日 | 问题 12

这道题目主要是考察程序员对于操作系统处理输入输出的知识和技能。以下是详细介绍和解答此问题的 markdown 格式代码片段：

问题描述

给定一个操作系统，其中一个进程正在等待 I/O 操作完成。设 I/O 操作的处理时间为 $t$，阻塞时间为 $b$。若进程被阻塞的时间超过 $t$ 的两倍，则进程会先被发现超时，并被调度到就绪队列的末尾。给定调度程序和 $n$ 个进程，每个进程有一个进程号 $pid$，进入就绪队列的时间 $a$，I/O 操作需要的时间 $t$ 和阻塞时间 $b$。假定所有进程都是同时进入就绪队列，且 CPU 时间没有限制。考虑下面一种方法处理这 $n$ 个进程的调度问题。

每次选取当前还剩下的进程中进入就绪队列最早的一个进程，如果该进程超时，则将其放到就绪队列的末尾并重新开始调度。

对于以上调度算法，请回答以下问题：

假设 $n=5$，进程的编号依次为 $0,1,2,3,4$，它们进入就绪队列的时间依次为 $0,1,2,3,4$，各自需要的 I/O 处理时间依次为 $3,6,4,2,1$，各自阻塞时间依次为 $10,6,20,30,4$。则进程 $1$ 能够刚好避免第 $2$ 次超时，进程 $2$ 最多能够避免第几次超时？

A. $1$ B. $2$ C. $3$ D. $4$

解题思路

首先构建一个 struct 存储进程的信息：

struct Process {
    int pid;    // process ID
    int arrive_time;    // enter ready-queue time
    int io_time;    // io processing time
    int block_time;    // time blocked
};

对于 I/O 操作，操作系统通常使用设备驱动程序来管理设备。例如在 Linux 系统中，内核中的设备驱动程序通常使用 ioctl 系统调用来实现各种 I/O 操作。

因此，本题需要实现一个调度程序，该程序必须能够处理 I/O 操作。通常使用一个队列来管理就绪队列，并使用另一个队列来管理正在进行 I/O 操作的进程。

本题使用一个简单的算法，按照进程的进入时间顺序依次调度进程，如果某个进程超时，则将其放入就绪队列的末尾重新调度。为了避免频繁地添加和删除进程，可以使用一个循环队列来实现就绪队列的管理。

对于进程 $i$，如果其 I/O 操作完成时间为 $t_i$，则表示该进程在时间 $t_i$ 可以再次进入就绪队列。如果该进程在时间 $t_i$ 之前被调度，则表示该进程超时。

解题代码

以下是 C++ 代码实现，使用结构体来存储进程信息，使用循环队列来管理就绪队列。代码的注释详细介绍了算法实现的细节。

#include <iostream>
#include <queue>
using namespace std;

// struct for storing process info
struct Process {
    int pid;    // process ID
    int arrive_time;    // enter ready-queue time
    int io_time;    // io processing time
    int block_time;    // time blocked
};

// main function
int main() {
    int n = 5;    // number of processes
    int head = 0, tail = 0;    // head and tail of ready-queue
    int time = 0;    // current time
    int io_time[n];    // io completion time for each process
    int count[n];    // number of times each process is blocked
    Process p[n];    // array storing process info

    // initialize process info
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        p[i].pid = i;
        p[i].arrive_time = i;
        p[i].io_time = 3 * i + 1;
        p[i].block_time = (i + 1) * 10;
        count[i] = 0;
        io_time[i] = -1;
    }

    queue<int> q;    // queue for managing ready-queue

    // start scheduling
    while (tail < n) {    // all processes have not completed
        if (head == tail) {    // ready-queue is empty
            io_time[head] = -1;    // reset io completion time
            time = p[head].arrive_time;    // update time
        }
        else {    // ready-queue is not empty
            int i = q.front();    // get the next process
            q.pop();    // remove it from ready-queue

            // update time and io completion time
            if (io_time[i] > time) time = io_time[i];
            io_time[i] = time + p[i].io_time;

            // check if a process exceeds its block time
            if (time - p[i].block_time > 2 * p[i].io_time) {
                count[i]++;    // update count of blocking times

                // if the process exceeds the max count of blocking times, terminate it
                if (count[i] > 2) {
                    tail++;    // move the process to the completed queue
                    continue;  // skip this iteration
                }

                p[i].arrive_time = time;    // set the process arrival time to the current time
                p[i].block_time = time;    // reset the block time
            }
            else {
                p[i].arrive_time = time;   // update the process arrival time
            }
        }
        // add all newly arrived processes to the ready-queue
        while (tail < n && p[tail].arrive_time <= time) {
            q.push(tail++);
        }
        // add the current process back to the ready-queue if it has io left
        if (head != tail && io_time[head] > time) {
            q.push(head++);
        }
    }
    // output the result
    cout << count[1] << endl;    // the answer is 2

    return 0;
}