Linux------进程优先级与进程切换

一、进程优先级

二、优先级与权限的区别

三、优先级的查看

四、进程优先级修改

五、进程切换

六、linux2.6内核调度队列与调度原理

一、进程优先级

首先我们得知道一个进程总是需要排队的，他一会在运行队列中排队等待运行，一会在设备的等待队列中排队，排队的本质就是在确认优先级。

cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）。

二、优先级与权限的区别

我们很容易把优先级和权限搞混淆。

优先级指得到申请资源的先后。

权限为是否能得到资源。

他们之间是先有权限，再谈优先级。

三、优先级的查看

进程的优先级其实就是PCB中的一个int字段，数值越小，优先级越大。这跟我们生活中买奶茶排号、医院挂号是一个道理，先叫的都是小号，先享受服务，后来的都是大号，晚一点享受服务。

Linux进程的优先级数据范围：60-99

默认进程优先级：80

我们可以在命令行输入以下指令查看进程的优先级

ps -al

其中我们这里只需要关心 PRI 与 NI 这两项

PRI（priority）：进程优先级
NI（nice）：进程优先级的修正数据

这里的NI即nice值，是Linux进程pcb中存放的一个值，他与PRI的公式如下

pri（新） = pri（老） + nice

这里的老pri不是指上次，而是值默认的pri，一般都是80

四、进程优先级修改

首先在命令行先输入 top 启动任务管理器，再在任务管理器中输入 r 打开重新调整renice值的任务框，此时需要先输入需要调整的进程的pid值。

将我们运行的死循环进程renice值修改为10

此时nice值变为了10，同时PRI值变成了90。

这样我们就完成了优先级的修改，数字变大了，也就是将优先级变低了。

这里我们尝试将优先级调低试一试

发现告诉我们修改失败，不能将优先级调低。此时需要使用 sudo 提权，如下

后面重复之前的操作，对优先级-10 ，此时优先级就变成了70。这里优先级不是从之前的90去-10，而是使用的默认的80 -10。

我们再次修改，让进程的优先级的nice值改为-100。发现进程优先级为60，nice值为-20，这是因为优先级的范围在60-99.系统不让你修改超过这个范围，如果超过了，就取最小值。

小总结：nice值调整的最小为-20，超过部分统一处理为-20

nice值调整的最大为19，超过部分统一处理为19

这样处理是为了让操作系统进行调度的时候，可以让每一个进程都得到调度。否则如果用户随意更改优先级，会导致进程优先级过高，并且还可以一直调，刚运行完如果又调高，会让这个程序一直在运行，致使其他进程无法运行，进而优先级较低的进程长时间得不到CPU的调度，这也叫做进程饥饿。

五、进程切换

在学习进程切换前，我们得先了解以下概念

竞争性: 系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级
独立性: 多进程运行，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，这称之为并行
并发: 多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，称之为并发

小总结一下，进程之间具有竞争性（因为成本控制，导致资源少，需要竞争）和独立性（该进程在运行时，该进程需要的资源只为他服务）。

并行是多个CPU分别运行

并发是一个CPU通过进程切换，轮流让进程运行。

一般的用户都是用的单CPU，因此这里我们着重学习并发。

首先，我们需知道每一个进程不是占有CPU一直运行的，每个一段时间（时间片），需要从CPU上剥离下来。不然你写一个死循环，一直运行该进程，其他进程还活不活了。Linux内核支持进程之间进行cpu资源抢占的。

同时cpu的速度是非常快的，比如说我们有10个进程，现在的时间片是1微秒，那么在一秒的时间，他可以将这是个进程轮流运行十万次，因此我们人的感知，是几乎感知不到的，就感觉这么多的进程都在同时运行，这样基于时间片的轮转式抢占内核就可以称作并发。

而并发，必须要考虑进程间的切换。

cpu中有很多寄存器，比如eax，ebx，ss，ds，cs等等。通过这些寄存器，可以让数据进行暂时存储，同时寄存器的速度也是非常快的，在cpu内部快速的传递数据。

比如我们写了一个函数，返回类型为int，这时就会使用eax寄存器来保存该临时变量的值，你临时变量销毁就销毁了，无所谓，我寄存器在帮你擦屁股勒，最后给调用该函数的地方。如下代码，我们查看汇编就可以看到使用了eax寄存器。

再一个就是我们的进程内的代码需要不停的在函数之间跳转，此时也会用到pc或者eip来保存下一条指令的地址。

当我们进程在运行的时候，会使用这些寄存器的，我们的进程会产生各种数据，在寄存器中临时保存，如果有多个进程各个进程在cpu寄存器中形成的临时数据（进程硬件上下文），都是不一样的。

而cpu寄存器硬件只有一套，而继承上下文数据有很多，是 1 对 n 的关系，因此当时间片到达，该切换下一个进程的时候，该进程的硬件上下文需要被保存到内存中，当我们下次再次运行该进程时，能够接着上次运行到的地方继续运行。

这个操作应该不难理解，这就相当于存档，我们玩幻兽帕鲁的时候，右上角会经常告诉我们存档中，这就是怕我们突然断网或掉线，如果不存档，就无法恢复到之前玩到的地方，我抓到的腾炎龙和阿努比斯没了，游戏体验就会大幅降低。

小总结：进程切换前首先工作要先将进程的硬件上下文保存到内存，进程重新运行前，需要将存放在内存中的进程硬件上下文重新写入到寄存器中，另外需要注意上下文保存的是寄存器的内容，而不是寄存器本身。

六、linux2.6内核调度队列与调度原理

如下是linux的运行队列具体内容

其中我们主要看蓝色框和红色框里的内容，其中queue具体为task struct *queue[140]，是优先级指针数组，前面0-99是系统用的我们不关心，后面的100-139，对应了之前我们学习的60-99的优先级，操作系统将优先级相同的进程地址链入了对应的地方。如下所示

上图中有红色和蓝色方框，为什么这里有两个方框呢？

他们一个是active指针指向的，另一个是expired指针指向的。红色和蓝色方框内容相同。比如现在Linux启动了，目前有了10个进程，这10个进程都在active指向的内容中，他们在轮流运行，如果我现在添加了一些进程进去，被添加的进程不会被active指向，而是被expired指针指向，他要将active这些内容全部运行完了，才会再运行expired的内容。

为什么会这样呢？

还是老样子，因为操作系统需要保证让每一个进程都能够被调度，如果我现在运行到80优先级的进程了，现在添加了一些60优先级的进程，如果只有一个数组，那么我就得返回运行这些优先级更高的进程，如果这些进程有很多，那么后面90优先级或者更低优先级进程会一直无法被调度。

但是这样也不合理啊，如果运行expired指向的进程时，有进程被添加进来，怎么办呢？此时需要往active添加进程呀！由于两个指针指向的内容都是一样的，我们运行完active里的所有进程后，可以通过swap（active，expired）来进行交换，这样就解决问题了。

方框内不止有数组，还有nr_active与bitmap[5]。

nr_active是一个整形，是否为0来判断指针数组里是否有进程。

bitmap[5]是位图（C++实现位图），是int整形数组，一个int整形有32位，5个就有160位，足够140位的优先级访问。比如queue数组中下标120有进程，那么在bitmap中的121位会设置为1，借此来告诉操作系统这里有进程。虽然这样也需要循环遍历，但是我们可以以8位或者16位的速度进行是否为0判断，大大提高效率（毕竟进程有默认优先级，需要调优先级的进程较少）。