北京理工大学-操作系统原理第2章作业2

请解答下列问题。
(1) 在一个使用多级反馈队列（如课程示例所示）的系统中，一个只使用CPU的进程的执行时间为40。如果第一个队列时间片为2，每级时间片增加5个时间单元，那么这个进程运行结束前会被中断多少次，结束时处于哪级队列？

答：
1：在第一队列（时间片为2，执行时间为2）；
2：在第2队列（时间片为7，执行时间为2+7）；
3：在第3队列（时间片为12，执行时间为2+7+12）；因为只有三级队列，故在第三级队列轮转执行
4：在第3队列（时间片为12，执行时间为2+7+12+12）；
5：在第3队列（时间片为12，执行时间为2+7+12+12+7）。故结束时中断了5次，处于第三级队列。

(2) 某进程调度程序采用基于优先数(priority)的调度策略，即选择优先数最小的进程运行，
进程创建时由用户指定一个nice作为静态优先数。为了动态调整优先数，引入运行时间
cpuTime和等待时间waitTime，初值均为0。进程处于执行态时，cpuTime定时加1，且
waitTime置0；进程处于就绪态时，cpuTime置0，waitTime定时加1。请回答下列问题。

(a) 若调度程序只将nice的值作为进程的优先数，即priority=nice，则可能会出现饥饿现象，为什么？
答：因为在进程运行过程中，不断有新的进程进入，若这些进程的优先级都很高，很可能导致一些低优先级的进程一直无法得到CPU资源，从而无法运行，出现饥饿现象。
(b) 使用nice、cpuTime和waitTime设计一种动态优先数计算方法，以避免产生饥饿现象，并说明waitTime的作用。

答：规定高优先数的优先级更高。
故：priority = nice - waitTime + cpuTimeWaitTime使得长时间等待的进程优先数减小使得优先级更高，从而避免饥饿现象。

请回答下列问题。
(1) 为什么在操作系统中要引入线程？内核级线程与用户级线程的区别是什么？

 答：（1）由于进程是资源的拥有者，所以在创建、撤销、切换操作中需要较大的时空开销，限制了并发程度的进一步提高。而引入线程可以提高响应速度，并且还可以资源共享提高资源利用率，可扩展性也更强。
（2）内核级线程的创建、撇销、调度和管理都由OS依靠内核负责，并且在内核空间为每
一个内核支持线程设置了一个线程控制块，内核根据线程控制块感知线程的存在，并对其
加以控制用户级线程由用户应用程序建立的线程，并且由用户应用程序负责所有这些用
户、级线程的调度执行和管理工作，仅存在于用户空间，操作系统内核完全不知道这些
线、程的存在。

(2) Provide two programming examples in which multithreading does not provide better performance than a single-threaded solution.

答：
（1）任何一种顺序程序都不适合线程化。例如，一个几乎全是if while语句的程序。
（2） 另一个例子是“shell”程序，如C-shell。这样的程序必须密切监视自己的工作空间，如打开的文件、环境变量和当前工作目录。

(3) Under what circumstances does a multithreaded solution using multiple kernel threads provide better performance than a single-threaded solution on a single-processor system?

答：多核线程：当一个内核线程出现错误时，可以切换另一个内核线程，以便进程继续运
行。而单核线程出现错误时，整个进程的所有进程必须全部停下，无法继续运行。

(4) Can a multithreaded solution using multiple user-level threads achieve better performance on a multiprocessor system than on a single-processor system? Explain.

答：若多个用户级线程只能映射到一个内核级线程。则由多个用户级线程组成的多线程系
统不能同时使用多处理器系统中的不同处理器。操作系统只看到一个进程，不会在不同的
处理器上调度进程的不同线程。若多个用户级线程只能映射到多个内核级线程，则此时多
处理器系统处理该进程的效率要高于单处理器系统

(5) Consider a multicore system and a multithreaded program written using the many-to-many threading model. Let the number of user-level threads in the program be greater than the number of processing cores in the system. Discuss the performance implications of the following scenarios.
a. The number of kernel threads allocated to the program is less than the number of processing cores.
b. The number of kernel threads allocated to the program is equal to the number of processing cores.
c. The number of kernel threads allocated to the program is greater than the number of processing cores but less than the number of user-level threads.

答：a.当内核线程数小于处理器数时，一些处理器将保持空闲，因为调度器只将内核线程
映射到相应的处理器，此时利用率还没有达到最高，但已经高于单处理器系统。
b.当内核线程的数量正好等于处理器的数量时，就有可能同时使用所有处理器。但是，当
内核线程在内核内部阻塞时，相应的处理器将保持空闲，此时多处理器利用率进一步提
高。
C.当内核线程多于处理器时，一个被阻塞的内核线程可能会被替换掉，以支持另一个准备
好执行的内核线程，从而提高多处理器系统的利用率。

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