نمونه سوالات درس سیستم عامل (مناسب تمام مقاطع)💚

مدیریت فرآیندها

زمان‌بندی فرآیندها (Scheduling) و الگوریتم‌های مرتبط

مقدمه

در یک سیستم عامل، معمولا تعداد زیادی فرآیند وجود دارد که برای استفاده از منابع سیستم (مانند CPU، حافظه، دستگاه‌های ورودی/خروجی) با یکدیگر رقابت می‌کنند. زمان‌بندی فرآیندها یکی از وظایف اصلی سیستم عامل است که تعیین می‌کند کدام فرآیند در چه زمانی و به چه مدتی از CPU استفاده کند. این موضوع تأثیر مستقیمی بر کارایی، پاسخگویی و عدالت سیستم عامل دارد.

اهداف یادگیری

• آشنایی با مفاهیم اساسی زمان‌بندی فرآیندها
• یادگیری انواع الگوریتم‌های زمان‌بندی CPU
• توانایی مقایسه و ارزیابی الگوریتم‌های مختلف
• درک تأثیر زمان‌بندی بر کارایی سیستم عامل

مفاهیم اساسی

• فرآیند (Process): یک برنامه در حال اجرا که شامل کد، داده و وضعیت فعلی آن است.
• زمانبند (Scheduler): ماژول سیستم عامل که مسئول انتخاب فرآیند بعدی برای اجرا است.
• صف آماده (Ready Queue): صفی از فرآیندهایی که در حافظه اصلی قرار دارند و آماده اجرا هستند.
• تعویض زمینه (Context Switch): عملیاتی که در آن CPU از اجرای یک فرآیند به فرآیند دیگر سوئیچ می‌کند.

انواع الگوریتم‌های زمان‌بندی

الگوریتم‌های زمان‌بندی را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد:

1. الگوریتم‌های غیرقابل انقطاع (Non-preemptive): در این الگوریتم‌ها، پس از اینکه CPU به یک فرآیند اختصاص داده شد، آن فرآیند تا زمانی که به طور داوطلبانه CPU را رها نکند، به اجرای خود ادامه می‌دهد.
   • اولین ورودی، اولین خروجی (FIFO): فرآیندهایی که زودتر وارد صف آماده شوند، زودتر اجرا می‌شوند.
   • کوتاه‌ترین زمان اجرا اول (SJF): فرآیندی که کوتاه‌ترین زمان اجرا را دارد، اولویت اجرا دارد.
2. الگوریتم‌های قابل انقطاع (Preemptive): در این الگوریتم‌ها، سیستم عامل می‌تواند در هر زمانی CPU را از فرآیند در حال اجرا گرفته و به فرآیند دیگری اختصاص دهد.
   • زمان‌بندی نوبتی (Round Robin): به هر فرآیند یک برش زمانی (time slice) اختصاص داده می‌شود و CPU به صورت نوبتی بین فرآیندها سوئیچ می‌کند.
   • اولویت‌بندی (Priority Scheduling): به هر فرآیند یک اولویت اختصاص داده می‌شود و CPU به فرآیند با بالاترین اولویت اختصاص داده می‌شود.

معیارهای ارزیابی الگوریتم‌های زمان‌بندی

برای مقایسه و ارزیابی الگوریتم‌های زمان‌بندی، از معیارهای مختلفی استفاده می‌شود، از جمله:

• زمان پاسخ (Response Time): مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک فرآیند پس از ورود به سیستم، برای اولین بار اجرا شود.
• زمان گردش (Turnaround Time): مدت زمانی که طول می‌کشد تا یک فرآیند از زمان ورود به سیستم تا زمان خروج از سیستم، به طور کامل اجرا شود.
• زمان انتظار (Waiting Time): مدت زمانی که یک فرآیند در صف آماده منتظر اختصاص CPU است.
• بهره‌وری CPU (CPU Utilization): درصد زمانی که CPU در حال اجرای فرآیندها است.

نکات کاربردی و مشاوره‌ای

• درک عمیق مفاهیم اساسی زمان‌بندی فرآیندها برای پاسخگویی به سوالات مفهومی در آزمون‌ها ضروری است.
• به جای حفظ کردن الگوریتم‌ها، سعی کنید منطق و نحوه عملکرد هر الگوریتم را درک کنید.
• با حل مثال‌های مختلف، توانایی خود را در مقایسه و ارزیابی الگوریتم‌های زمان‌بندی افزایش دهید.

منابع

• Scheduling (computing) - Wikipedia
• Silberschatz, A., Galvin, P. B., & Gagne, G. (2018). Operating system concepts (10th ed.). Wiley.