【Linux】探索进程优先级的奥秘，解锁进程的调度与切换

进程优先级：

1.2. 进程优先级的定义是什么？

进程优先级指的是CPU资源分配的先后顺序，即进程的优先权（priority）。

1.3. 为何存在进程优先级的概念？

根本原因在于资源的稀缺性。

在linux环境中，默认优先级为80，且Linux的优先级是可调的，范围在【60，99】之间，共有40个级别。

Linux优先级的本质是数字，数字越小，优先级越高！

Linux系统允许用户调整优先级，但不能直接修改pri，而是通过修改nice值（不是优先级，而是进程优先级的修正数据）来实现。

pri = pri(old) + nice

1.4. 为什么Linux调整优先级需要受限制？

如果不加限制，用户可以将自己进程的优先级设得极高，而将他人的优先级设得极低，高优先级的进程会优先获得资源，导致后续产生的进程难以享受到CPU资源，从而引发进程饥饿问题。

1.5. PRI与NICE的区别需要特别强调的是什么？

进程的nice值不是进程的优先级，它们是不同的概念，但nice值会影响进程优先级的变化。可以将nice值理解为进程优先级的修正数据。

在Linux下，调整进程优先级就是调整进程的nice值，nice值的范围是-20至19，共有40个级别。

使用top命令更改已存在进程的nice值：进入top后按“r”->输入进程PID->输入nice值。

Linux的调度与切换：

2.1. 概念准备：

1. 进程在运行时，是否必须在CPU上运行完整个代码？

   不是！现代操作系统是基于时间片进行轮转执行的（时间片：给每个进程规定的最大运行时间）。

2. 进程的竞争性、独立性、并行性和并发性：

   竞争性：系统中进程数量众多，而CPU资源有限，进程之间具有竞争属性。为了高效完成任务和合理竞争资源，便有了优先级。

   独立性：多进程运行时，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰。

   并行：多个进程在多个CPU下分别、同时进行运行，称之为并行。

   并发：多个进程在一个CPU下通过进程切换，在一段时间内让多个进程都得以推进，称之为并发。

2.2. 如何完成进程的调度和切换？

当一个进程的时间片到期后，如何保存进程以便下次调用？

CPU内部有许多寄存器，进程在运行过程中会产生大量临时数据，存放在CPU的寄存器中。这些CPU内部的临时数据称为进程的硬件上下文。通过硬件上下文的保存，进程可以被再次调度时恢复运行。

因此，当进程再次被调度时，将之前保存的硬件上下文恢复，使进程继续从上次运行的位置进行。

上下文并不是寄存器，而是寄存器的内容。CPU的寄存器只有一套，但寄存器内部保存的数据可以有多套。

所以，寄存器 ≠ 寄存器的内容。

虽然寄存器数据放在共享的CPU设备中，但所有数据实际上是进程私有的。

小结：所有的保存都是为了最终的恢复，所有的恢复都是为了继续上次的运行位置继续进行。

2.4 Linux实现进程调度的算法需要考虑哪些因素？

Linux实现进程调度的算法需要考虑优先级、进程饥饿问题和效率问题。

解决优先级问题：

普通优先级：100～139（对应nice值的取值范围）

实时优先级：0～99（不关心）

时间片未结束的所有进程都按优先级放在队列中。nr_active表示总共有多少个运行状态的进程，queue[140]表示一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度，数组下标即优先级。

从0下标开始遍历queue[140]，找到第一个非空队列，该队列必定是优先级最高的队列。选中队列的第一个进程开始运行，调度完成，优先级问题解决。

解决进程饥饿问题：

采用引入活动队列和过期队列来解决。

过期队列和活动队列结构相同，过期队列上放置的是时间片耗尽的进程。当活动队列上的进程都被处理完毕后，对过期队列的进程进行时间片重新计算。

我们先将活动队列中的进程都运行完毕，注意活动队列上的进程运行完毕后会减少，不会增加，而过期队列里的进程只会越来越多。此时需要将活动队列的内容与过期队列的内容进行交换。

交换方式：有两个指针分别指向活动队列和过期队列，active指针永远指向活动队列，expired指针永远指向过期队列。活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期时一直存在。只要在合适的时候交换active指针和expired指针的内容，就相当于获得了一批新的活动进程。注意交换时只是交换指针的内容。

解决效率问题：

遍历queue[140]的时间复杂度是常数，但仍然不够高效。

于是采用位图方法解决：

bitmap[5]：一共140个优先级，一共140个进程队列。为了提高查找非空队列的效率，可以用5*32个比特位表示队列是否为空。我们每次可以先遍历一个整数，如果这个整数是0，就可以直接跳过，到下一个整数，直到发现不等于0，再遍历内部。

位图将对数组的遍历转化为对比特位的遍历，效率会高很多。