前言

在计算机操作系统中，进程状态、优先级和调度是非常重要的概念，它们直接影响着系统的性能、资源利用率和响应速度。理解这些概念不仅对于系统管理员和开发人员来说至关重要，对于任何对计算机系统有兴趣的人都是有益的。

本文将深入探讨进程状态的各种表述方式、影响因素以及在 Linux 内核源代码中的具体实现，以及进程优先级的概念及其在 Linux 中的实现方式。我们还将讨论进程调度和切换的原理，以及 Linux 内核是如何通过各种机制来管理和调度进程，确保系统资源的合理利用和进程之间的公平竞争。

1. 进程状态

1.1. 轻量进程排队这件事情——队列

• 进程由 task_struct 和可执行程序组成。
• 进程排队意味着 task_struct 排队，通常是等待某种资源。
• 一个 task_struct 可以被连接到多种数据结构中，底层队列通常使用链表实现，Linux 中记录偏移量。

1.2. 进程状态的表述及其影响：

• 状态本质上是 task_struct 中的一个整型变量。

#define New 1
#define Ready 2
#define runing 3
#define running 3
#define block 3
...

• 状态决定了什么？
  状态决定了进程的后续动作，例如任务的调度。
  Linux中可能会有很多个进程都要根据它的状态执行后续的动作（进程排队了！）

struct runqueue{
	int num;
	task_struct *q;
}	

• Linux 中的状态包括运行、阻塞、挂起等，由整型变量表示，例如：

运行状态（R）：表示进程准备好随时被调度。
阻塞状态（S）：表示进程等待软硬件资源，可中断睡眠。
不可中断睡眠（D）：表示进程等待硬件资源。
挂起状态（T）：暂停进程的执行，让其处于暂停状态，等待其他事件发生。

一个 CPU 一个运行队列, 其中运行状态不仅仅是在CPU上跑，只要是在运行队列里排队的进程都属于运行状态 。
R状态：我以及准备好随时被调度了！

1.3. 挂起状态及处理：

• 挂起状态在计算机资源紧张时发生。
• 阻塞挂起状态是进程等待资源时的一种状态。
• 当进程等待软硬件资源时，如果资源未就绪，进程的 task_struct 可能被置为阻塞状态，并连接到资源提供的等待队列。
• 状态变迁导致 task_struct 被移动到不同的队列中，以便操作系统进行管理。

1.4.理解 Linux 内核源代码中的状态表述：

为了弄明白正在运行的进程是什么意思，我们需要知道进程的不同状态。一个进程可以有几个状态（在Linux内核里，进程有时候也叫做任务）。
下面的状态在kernel源代码里定义：

/*
* The task state array is a strange "bitmap" of
* reasons to sleep. Thus "running" is zero, and
* you can test for combinations of others with
* simple bit tests.
*/
static const char * const task_state_array[] = {
"R (running)", /* 0 */ // 运行状态
"S (sleeping)", /* 1 */ // 阻塞状态（可中断睡眠：浅度睡眠）
"D (disk sleep)", /* 2 */ // 不可中断睡眠：深度睡眠
"T (stopped)", /* 4 */  // 让进程处于暂停状态
"t (tracing stop)", /* 8 */ // 被追踪专题
"X (dead)", /* 16 */
"Z (zombie)", /* 32 */
};

• Linux 内核中使用数组定义了进程的不同状态，如运行状态（R）、睡眠状态（S）、不可中断睡眠（D）等。
• 进程状态数组以位图形式表示，可以通过简单的位测试来检测状态组合。
• 例如，Z（zombie）状态表示进程已经退出，但其状态需要保持，以供上层读取，避免内存泄漏。

• 为什么要有Z状态？ 创建进程是希望这个进程给用户完成工作的，子进程必须得有结果数据，pcb中的。
• 什么是Z？进程已经退出，但是当进程的状态需要维持住，供上层读取，必须处于Z
• 如果我父亲不读取呢？僵尸状态，会一直存在。task_struct 对象也一直存在，都是要占内存的。内存泄漏！

2. 进程优先级

• 进程优先级是什么？
  前提：进程要访问某种资源，进程进行通过一定的方式（排队），确认享受资源的先后顺序。
• 为什么？资源过少！（相对的概念）
• 怎么办？

struct task_struct
{
	// 优先级
	int PRI;
	int nice；
}

在Linux系统中，进程优先级由一个整数表示，范围一般在[60, 99]之间，默认优先级是80。数字越小，优先级越高，进程越有可能先获取系统资源。Linux允许用户调整进程的优先级，但通常不直接修改优先级值（PRI），而是通过调整nice值（nice是进程优先级的修正数据），范围在[-20, 19]之间。负值表示更高的优先级，正值表示更低的优先级。

Linux 为什么要调整优先级是要受限的？

这是因为如果不加限制，有可能出现某些进程将自己的优先级调整得非常高，而其他进程则调整得非常低的情况，从而导致系统资源被不合理地分配。高优先级的进程会优先获取CPU等系统资源，而低优先级的进程可能会长时间无法执行，造成资源饥饿问题。

任何的分时操作系统，在调度上，较为公平的调度。

3. Linux的调度与切换

在 Linux 中，进程调度和切换是操作系统中重要的机制，它们确保了系统资源的合理利用和进程之间的公平竞争。下面是关于进程调度和切换的一些概念：

3.1. 进程调度：

• 系统中的进程数目通常远远多于可用的 CPU 数目，因此进程之间存在竞争关系。为了高效地完成任务，系统通过进程调度算法来决定何时执行哪个进程。
• 进程调度算法通常基于进程的优先级、等待时间、历史运行情况等因素来进行决策，以最大程度地提高系统整体的效率和吞吐量。

概念准备：

1. 进程在运行的时候，放在CPU上，直接必须把进程代码跑完，才行吗？不对。现代操作系统都是，基于时间篇进行轮转的。
2. 关于竞争性、独立性、并行和并发的概念

• 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。

3.2. 进程切换（并发）：

• 在多任务操作系统中，多个进程会共享 CPU 资源。当一个进程的时间片用完或者发生阻塞等情况时，操作系统需要切换到另一个进程，以保证系统的响应性和效率。
• 进程切换涉及保存和恢复进程的上下文信息，包括寄存器状态、内存映射、进程状态等。这些信息被保存在操作系统内部数据结构中，以便在需要时进行切换和恢复。

进程在运行过程中产生的临时数据，以及关于硬件上下文的保存和恢复：

1. 进程的临时数据：

• 在执行过程中，进程会产生大量的临时数据，例如变量、函数调用栈等。这些临时数据通常存储在内存中的堆栈段或堆段中，以供程序运行时使用。

2. 硬件上下文：

• 当一个进程被调度执行时，CPU 需要保存当前进程的硬件上下文，包括寄存器中的数据、程序计数器（PC）等信息。这些信息构成了进程在 CPU 上运行的环境和状态，称为硬件上下文。

3. 硬件上下文的保存和恢复：

• 当进程被调度暂停或切换时，CPU 会将当前进程的硬件上下文保存到内存中，以便稍后恢复。而当该进程再次被调度执行时，CPU 会从内存中恢复之前保存的硬件上下文，使得进程可以从上次执行的位置继续执行。

4. 区分寄存器和寄存器的内容：

• CPU 内部的寄存器只有一组，它们用于存储当前正在执行的指令、操作数等关键信息。
• 寄存器内部保存的数据可以有多套，每个进程都有自己的一套寄存器数据，被称为进程的上下文信息。虽然这些寄存器都是在共享的 CPU 中，但不同进程的寄存器数据是相互隔离的，每个进程都无法直接访问其他进程的寄存器数据。

Linux 实现进程调度和切换的机制主要包括以下几个方面：

• 使用优先级队列管理进程，以确保高优先级进程优先执行。
• 考虑进程饥饿问题，避免低优先级进程长时间无法执行的情况发生。
• 实现时间片轮转调度算法，确保每个进程都有机会执行，并防止某个进程长时间占用 CPU 资源。
• 使用位图等数据结构记录不同优先级队列的状态，以便高效地选择下一个要执行的进程。
• 在进程切换时，保存和恢复进程的硬件上下文信息，确保进程能够从切换前的状态无缝地继续执行。 swap(&active, &expried);

总结

本文介绍了进程状态、优先级和调度在计算机操作系统中的重要性和原理。通过对进程状态的各种表述方式和影响因素的讨论，我们了解了进程在操作系统中的不同状态及其意义，以及在 Linux 内核源代码中的具体实现方式。进程优先级的概念及其在 Linux 中的实现方式也得到了阐述，包括通过调整 nice 值来调整进程的优先级。最后，我们深入探讨了进程调度和切换的原理，以及 Linux 内核是如何通过各种机制来管理和调度进程，确保系统资源的合理利用和进程之间的公平竞争。

通过对这些关键概念的理解，我们能够更好地管理和优化系统资源的利用，提高系统的性能和响应速度，从而为用户提供更好的计算机体验。