1. 什么是抢占式优先级调度算法
抢占式优先级调度算法指的是在一个多任务的系统中，按照任务的优先级来安排任务的执行顺序。同时，如果有更高优先级的任务到来，可以抢占当前任务的CPU资源，立即执行更高优先级的任务，从而提高系统的运行效率。
在操作系统中，抢占式优先级调度算法被广泛应用，例如在Windows和Linux等常见操作系统中都使用了该算法。
2. 抢占式优先级调度算法的实现方式
2.1 优先级队列
在抢占式优先级调度算法中，每个任务都有一个优先级，优先级高的任务会被先执行。为了实现该算法，通常使用优先级队列来管理待执行的任务。优先级队列是一种按照优先级排序的数据结构，每次取出队列头部的任务来执行即可。
下面是一个使用优先级队列实现抢占式优先级调度算法的示例代码：
class Task {
public:
int taskId;
int priority; //任务优先级
void (* function)(void); //任务执行的函数
};
class PriorityQueue {
public:
PriorityQueue() {};
~PriorityQueue() {};
void put(Task task) {...} //将任务放入队列
Task get() {...} //从队列中取出一个任务
private:
std::vector<Task> tasks_;
};
PriorityQueue priorityQueue; //全局优先级队列
void run_task() {
while(true) {
Task task = priorityQueue.get(); //从优先级队列中取出一个任务
task.function(); //执行任务的函数
}
}
2.2 时间片调度
抢占式优先级调度算法最大的问题是可能会出现“优先级反转”的情况。举个例子，现在有一个优先级为3的任务正在执行，突然来了一个优先级为6的任务，按照抢占式优先级调度算法，系统会立即抢占当前任务的CPU资源，开始执行更高优先级的任务。但是问题在于，如果一直有高优先级的任务到来，那么低优先级的任务就一直没有机会执行，导致低优先级任务饥饿。
为了解决这个问题，通常会使用时间片调度的方式。时间片调度指的是，每个任务被分配一个时间片，当时间片用完之后，当前任务会被挂起（或者放回队列，等待下一次调度），CPU会被分配给下一个任务。这样做的好处是，确保了所有优先级的任务都有机会执行。
下面是一个使用时间片调度实现抢占式优先级调度算法的示例代码：
class Task {
public:
int taskId;
int priority; //任务优先级
void (* function)(void); //任务执行的函数
int time; //任务剩余执行时间
};
class PriorityQueue {
public:
PriorityQueue() {};
~PriorityQueue() {};
void put(Task task) {...} //将任务放入队列
Task get() {...} //从队列中取出一个任务
private:
std::vector<Task> tasks_;
};
PriorityQueue priorityQueue; //全局优先级队列
void run_task() {
while(true) {
Task task = priorityQueue.get(); //从优先级队列中取出一个任务
if(task.time > 0) { //如果任务还有剩余时间
task.function(); //执行任务的函数
task.time--; //时间片减1
priorityQueue.put(task); //将任务放回队列，等待下一次调度
}
}
}
3. 抢占式优先级调度算法的优缺点
3.1 优点
可以有效地利用CPU资源，提高系统的运行效率
可以优先处理紧急的任务
可以确保所有任务都有机会被执行
3.2 缺点
可能会导致低优先级任务饥饿
任务优先级可能发生“反转”，导致低优先级任务长时间无法被执行
容易导致系统资源竞争，需要优化调度算法以提高系统的性能
4. 抢占式优先级调度算法的应用场景
抢占式优先级调度算法被广泛应用于操作系统中，特别是实时操作系统。实时操作系统需要在硬实时要求下完成任务，例如在航空、船舶、汽车等自动控制领域中。在这些领域中，任务需要在指定的时间内完成，否则可能会对人员或设备带来危险。
除此之外，抢占式优先级调度算法还被应用于图像、视频、音频等多媒体应用中，以确保实时性和流畅性。
5. 总结
抢占式优先级调度算法是一种常用的调度算法，能够优先处理紧急的任务，并确保所有任务都有机会被执行。不过该算法也有一些缺点，例如可能会导致低优先级任务饥饿，以及可能出现“优先级反转”的情况。在实际应用中，需要根据具体情况，选择合适的调度算法来提高系统的运行效率。