【Linux】探索進程優(yōu)先級的奧秘，解鎖進程的調度與切換

進程優(yōu)先級：

1.2. 進程優(yōu)先級的定義是什么？

進程優(yōu)先級指的是CPU資源分配的先后順序，即進程的優(yōu)先權（priority）。

1.3. 為何存在進程優(yōu)先級的概念？

根本原因在于資源的稀缺性。

在linux環(huán)境中，默認優(yōu)先級為80，且Linux的優(yōu)先級是可調的，范圍在【60，99】之間，共有40個級別。

Linux優(yōu)先級的本質是數字，數字越小，優(yōu)先級越高！

Linux系統(tǒng)允許用戶調整優(yōu)先級，但不能直接修改pri，而是通過修改nice值（不是優(yōu)先級，而是進程優(yōu)先級的修正數據）來實現。

pri = pri(old) + nice

1.4. 為什么Linux調整優(yōu)先級需要受限制？

如果不加限制，用戶可以將自己進程的優(yōu)先級設得極高，而將他人的優(yōu)先級設得極低，高優(yōu)先級的進程會優(yōu)先獲得資源，導致后續(xù)產生的進程難以享受到CPU資源，從而引發(fā)進程饑餓問題。

1.5. PRI與NICE的區(qū)別需要特別強調的是什么？

進程的nice值不是進程的優(yōu)先級，它們是不同的概念，但nice值會影響進程優(yōu)先級的變化。可以將nice值理解為進程優(yōu)先級的修正數據。

在Linux下，調整進程優(yōu)先級就是調整進程的nice值，nice值的范圍是-20至19，共有40個級別。

使用top命令更改已存在進程的nice值：進入top后按“r”->輸入進程PID->輸入nice值。

Linux的調度與切換：

2.1. 概念準備：

1. 進程在運行時，是否必須在CPU上運行完整個代碼？

   不是！現代操作系統(tǒng)是基于時間片進行輪轉執(zhí)行的（時間片：給每個進程規(guī)定的最大運行時間）。

2. 進程的競爭性、獨立性、并行性和并發(fā)性：

   競爭性：系統(tǒng)中進程數量眾多，而CPU資源有限，進程之間具有競爭屬性。為了高效完成任務和合理競爭資源，便有了優(yōu)先級。

   獨立性：多進程運行時，需要獨享各種資源，多進程運行期間互不干擾。

   并行：多個進程在多個CPU下分別、同時進行運行，稱之為并行。

   并發(fā)：多個進程在一個CPU下通過進程切換，在一段時間內讓多個進程都得以推進，稱之為并發(fā)。

2.2. 如何完成進程的調度和切換？

當一個進程的時間片到期后，如何保存進程以便下次調用？

CPU內部有許多寄存器，進程在運行過程中會產生大量臨時數據，存放在CPU的寄存器中。這些CPU內部的臨時數據稱為進程的硬件上下文。通過硬件上下文的保存，進程可以被再次調度時恢復運行。

因此，當進程再次被調度時，將之前保存的硬件上下文恢復，使進程繼續(xù)從上次運行的位置進行。

上下文并不是寄存器，而是寄存器的內容。CPU的寄存器只有一套，但寄存器內部保存的數據可以有多套。

所以，寄存器 ≠ 寄存器的內容。

雖然寄存器數據放在共享的CPU設備中，但所有數據實際上是進程私有的。

小結：所有的保存都是為了最終的恢復，所有的恢復都是為了繼續(xù)上次的運行位置繼續(xù)進行。

2.4 Linux實現進程調度的算法需要考慮哪些因素？

Linux實現進程調度的算法需要考慮優(yōu)先級、進程饑餓問題和效率問題。

解決優(yōu)先級問題：

普通優(yōu)先級：100～139（對應nice值的取值范圍）

實時優(yōu)先級：0～99（不關心）

時間片未結束的所有進程都按優(yōu)先級放在隊列中。nr_active表示總共有多少個運行狀態(tài)的進程，queue[140]表示一個元素就是一個進程隊列，相同優(yōu)先級的進程按照FIFO規(guī)則進行排隊調度，數組下標即優(yōu)先級。

從0下標開始遍歷queue[140]，找到第一個非空隊列，該隊列必定是優(yōu)先級最高的隊列。選中隊列的第一個進程開始運行，調度完成，優(yōu)先級問題解決。

解決進程饑餓問題：

采用引入活動隊列和過期隊列來解決。

過期隊列和活動隊列結構相同，過期隊列上放置的是時間片耗盡的進程。當活動隊列上的進程都被處理完畢后，對過期隊列的進程進行時間片重新計算。

我們先將活動隊列中的進程都運行完畢，注意活動隊列上的進程運行完畢后會減少，不會增加，而過期隊列里的進程只會越來越多。此時需要將活動隊列的內容與過期隊列的內容進行交換。

交換方式：有兩個指針分別指向活動隊列和過期隊列，active指針永遠指向活動隊列，expired指針永遠指向過期隊列。活動隊列上的進程會越來越少，過期隊列上的進程會越來越多，因為進程時間片到期時一直存在。只要在合適的時候交換active指針和expired指針的內容，就相當于獲得了一批新的活動進程。注意交換時只是交換指針的內容。

解決效率問題：

遍歷queue[140]的時間復雜度是常數，但仍然不夠高效。

于是采用位圖方法解決：

bitmap[5]：一共140個優(yōu)先級，一共140個進程隊列。為了提高查找非空隊列的效率，可以用5*32個比特位表示隊列是否為空。我們每次可以先遍歷一個整數，如果這個整數是0，就可以直接跳過，到下一個整數，直到發(fā)現不等于0，再遍歷內部。

位圖將對數組的遍歷轉化為對比特位的遍歷，效率會高很多。