多道程序设计：道数对CPU利用率的影响与资源管理策略

多道程序设计的道数问题是指在一个操作系统中，同时运行多个程序（也称为进程）的情况，其中这些进程可能需要共享系统资源并进行交互。"道数"或"度数" n在这里指的是并发执行的程序数量。在多道程序设计中，关键的概念是CPU利用率，它反映了CPU在单位时间内有效执行指令的能力。当一个程序在等待I/O操作时，CPU会被其他程序占用，此时CPU的利用率并不等于100%。 当程序等待I/O操作的时间占其运行时间的比例为p时，所有n个程序都同时处于等待状态的概率是pn。这表明，随着程序数量n的增加，这种并发带来的等待概率也会相应增大。为了衡量系统效率，CPU利用率与n之间存在关系：CPU利用率 = 1 - pn。这意味着，当n增加时，如果每个程序的I/O操作比例保持不变，系统的平均CPU利用率会下降，因为更多的时间被I/O等待所占据。 多道程序设计的关键在于如何优化系统以平衡资源分配和I/O操作的影响。操作系统通过资源管理技术，如资源复用（通过共享和重用硬件资源来提高效率）、资源虚化（将有限的物理资源转化为虚拟资源，提供给多个进程使用），以及任务调度策略（决定哪个进程优先级更高或何时切换进程），来减轻I/O等待对CPU利用率的影响。 操作系统作为系统软件的核心，其目标包括方便用户使用、扩充机器功能、有效管理资源、提高系统效率以及支持开放环境。它通过层次结构，如硬件层、操作系统层、系统程序层和应用层，来组织和协调各个层次的活动。在这一过程中，操作系统与其他软件（如支撑软件和应用软件）之间的区别主要体现在权限、功能定位和对硬件资源的直接访问上。 多道程序设计中的道数问题体现了操作系统在复杂系统环境下优化性能和资源利用的关键作用，以及其作为软件系统基础设施的重要性。理解并掌握这些概念对于设计和评估高效操作系统至关重要。