申論題

多工程度（Degree of Multiprogramming）與 CPU 使用率（Utilization）的關係

多工程度（Degree of Multiprogramming）是指同時在記憶體中存在的程序數量。多工程度越高，表示有越多的程序同時存在於記憶體中等待被 CPU 執行。

CPU 使用率（CPU Utilization）是指 CPU 的運行時間與總時間的比率。高的 CPU 使用率意味著 CPU 大部分時間都在執行任務，而不是閒置。

關係：

1. 適度增加多工程度：

   • 當多工程度增加時，CPU 有更多的任務可以選擇執行，這通常會提升 CPU 的使用率，因為 CPU 有更多的機會找到一個可以立即執行的進程。
   • 在多數情況下，適度增加多工程度會提高 CPU 的使用率，因為它可以有效利用 CPU 的空閒時間，減少 CPU 的閒置狀態。

2. 過度增加多工程度：

   • 然而，過度增加多工程度可能導致反效果。當有過多的程序同時在記憶體中時，系統可能會面臨記憶體壓力，導致頻繁的分頁和頁面交換（paging and page swapping），這會增加系統開銷（overhead）。
   • 過度的分頁會導致所謂的「thrashing」，即 CPU 花費大量時間在頁面交換上，而不是實際執行程序，這反而會降低 CPU 的使用率。

分頁（Paging）的虛擬記憶體環境中 CPU 使用率低的情況

在分頁的虛擬記憶體環境中，有一種情況下可能會出現很多程序在記憶體中，但 CPU 使用率卻很低，這種現象稱為 「thrashing」（顛簸）。

Thrashing 的發生原因：

1. 多工程度過高：

   • 當多工程度過高時，記憶體中有太多的進程，導致每個進程可用的物理記憶體頁數不足。
   • 進程無法有效地保留其工作集（working set）在記憶體中，頻繁的頁面錯誤（page faults）發生，系統需要不停地從磁碟交換頁面進入記憶體。

2. 頻繁的頁面交換：

   • 頻繁的頁面交換導致系統花費大量時間在磁碟 I/O 操作上，而不是在執行進程的計算任務。
   • 這樣的高 I/O 開銷會顯著降低 CPU 的使用率，因為 CPU 大部分時間在等待 I/O 操作完成。

3. 內存壓力：

   • 當系統的物理記憶體不夠用來容納所有進程的工作集時，進程需要經常等待頁面從磁碟調入，這增加了進程的等待時間並減少了 CPU 的有效利用。

解決方法：

• 減少多工程度：通過減少同時在記憶體中運行的進程數量，可以減輕記憶體壓力，降低頁面錯誤率。
• 增加物理記憶體：增加物理記憶體可以使更多的進程工作集駐留在內存中，減少頁面交換的需求。
• 優化進程排程：根據進程的工作集大小和行為特徵，優化進程排程策略，以減少內存壓力。

總結來說，適度的多工程度可以提升 CPU 使用率，但過高的多工程度可能導致 thrashing 現象，反而降低 CPU 使用率。在分頁的虛擬記憶體環境中，合理管理多工程度和記憶體資源是維持高 CPU 使用率的關鍵。