【Linux】进程的优先级及linux下进程的调度于切换

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1.优先级是什么

2.linux中的优先级是怎么实现的

ps -la 命令查看当前用户启动的进程编辑

linux下调整优先级：

①先top一下

②点击r

③需要输入进程的pid

④回车

编辑 ⑤输入想将优秀级修改的值：

linux进程优先级范围为什么必须是【60,99】

linux为什么让优先级的调整是一种受限制的状态：

3.linux下进程的调度与切换

重点：并发---涉及到进程切换

理解进程切换：

linux实现进程调度的算法：linux2.6如何进行程序调度：

①queue【140】进程优先级数组

②bitmap[5] 位图--提升优先级的遍历效率

③过期队列和活跃队列

④两个struct q * 的指针，实现活跃队列和过期队列的内容切换

4.总结进程的创建到调度

1.优先级是什么

我们日常生活中，要涉及确定优先级，一定是我们需要访问某种资源，食堂打饭排队，谁先打饭，

那么进程也是需要资源支撑的，

前提：进程要访问某种资源，进程进行一定的方式（排队），确定享受资源的先后顺序。

优先级和权限的区别：

本质区别是：权限觉得能不能，优先级决定先后，只要到了优先级这一层那么说明权限几乎已经具备。

为什么要存在优先级：

本质原因：资源过少

而资源的多少是一个相对的概念，相对于需求资源的人的数量。为什么需要运行队列，cpu只有一个

2.linux中的优先级是怎么实现的

编写代码如下：

ps -la 命令查看当前用户启动的进程

PRI就是优先级

task_struct

{
//优先级

int PRI

}

就是计算机里面的整数，，相当于排队给你一个号码

linux默认优先级从80开始

linux优先级可以在启动前后中被修改

linux优先级的范围：【60,99】 40个数字

linux优先级本质是一个数字，数字越小，优先级越高

linux下调整优先级：

（实际中没有需要我们调整优先级的环境或者情况）

top命令

top命令经常用来监控linux的系统状况，是常用的性能分析工具，能够实时显示系统中各个进程的资源占用情况。

①先top一下

②点击r

③需要输入进程的pid

④回车

⑤输入想将优秀级修改的值：

我们这里测试输入10回车

PRI变为90了，NI变为10

linux中允许用户调整优先级，但是不能直接让你修改pri，而是在linux中存在一个nice值的概念，是修改nice值。这个nice不是优先级，而是进程优先级的修正数据。

真正的优先级 = 老的优先级（priold）+nice值（这就是内核确认优先级的方式）

linux进程优先级范围为什么必须是【60,99】

我们做一个极端值测试

刚才的进程优先级被调成90了

我们现在top

r一下

设置过于频繁不让设置

sudo top

在执行r就行

此时：

说明我们的nice值是被覆盖写入的，刚才是10，现在是-10 ，可是pri变成90，不应该老的优先级+nice = 80吗

我们看下面的prI 为80，NI为0，如果我们真的变成80 -10 数据就不一致了，

老的pRI都是80开始，

我们将优先级设置100，

说明我们的linux内核会做判断，如果nice调整过大，只会取nice极值，极大值为19.

nice值取值范围【-20,19】，所以优先级的取值范围为【60,99】

linux为什么让优先级的调整是一种受限制的状态：

如果不加限制，很多的程序员工程师就可以将自己进程的优先级调整非常小，别人的调整的非常大，系统中还有些正常进程。优先级决定了进程享受资源的前后，如果进程的优先级很小，调度器cpu在短时间内较大概率会频繁的调度这个进程，导致调度不太平衡，导致优先级高的优先得到资源，后续还有源源不断的进程产生，最后会导致常规进程很难得到cpu资源，意味着这个进程很长时间不被调度，作为一个要运行的进程，变得很卡顿，而其他优先级高的进程很快就跑完了，所以，这种情况称之为“进程饥饿”，就像去打饭长由于被插队长时间打不到饭。我们任何的现在的分时操作系统，按照时间段进程运行，每个进程运行一个时间段，在调度上都要进行公平的调度，否则会导致饥饿问题。所以进程优先级调整必须受限制。

3.linux下进程的调度与切换

概念准备

①进程在运行的时候，放在cpu上，cpu必须将进程代码执行完，才可以吗？

不对，死循环本身就不会执行完，现代操作系统，都是基于时间片进行轮转执行。

时间片：给每一个进程规定一个运行的最大时间。跑完一个时间片，操作系统将整个进程从cpu剥离，由调度器帮助完成。

进程和进程之间一定存在竞争，从优先级就可以看出来，本质cpu资源少，进程数目多，但是不能让大家恶意竞争，所以得有调度器基于时间片和优先级轮转调度。

进程之间是具有独立性的：

关掉任何一个进程对其他进程的运行都不影响（不影响别的进程的执行，代码和数据是安全的）。进程在运行期间，逻辑上我们认为其独享资源，多进程运行期间互不干扰。

如果电脑里面有两个cpu，在任意一个时刻，可以允许两个进程被同时调度执行，这叫两个进程并行运行。（多核cpu：所谓多核，一块cpu里面有一个控制器和很多运算器，可以跑很多计算，但是这些计算都是一个进程中的多条代码），如果计算机一个cpu，每个cpu都有其时间片，假设这个时间片为1毫秒，我们此时有十个进程，那么1秒里面就有1000个时间片，也就是意味着每个进程会被调度100次，微观上是卡顿的，但是人类感知不到，所以我们就感觉一个时间段内多个任务在跑，一个时间段内，多个代码可以推进叫做并发，是指进程在一个cpu下才有进程频繁切换的动作。一段时间内进行频繁的进程切换，就像当年葫芦娃的动画片是一张一张画出来，加速翻动。

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

重点：并发---涉及到进程切换

cpu中存在大量寄存器：eax,ebx,ecx,edx,eds/ecs/fg/gs/eip/cro,crocr4 程序状态字，浮点数寄存器

ebp.esp(寄存器保存大量的临时数据）

eip俗称pc指针，程序记步器。

程序状态字：除0，异常退出

不同寄存器有不同的功能：比如eax用于保存临时数据

进程在cpu上运行，cpu上的所有寄存器要围绕这个进程进行展开运算运行，所以进程在运行的过程中，会产生大量的临时数据，放在cpu的寄存器。这些临时数据存在的意义支撑了当前进程运行到了什么状态，运行到了哪一步，不属于寄存器的数据都属于进程独有的数据。

理解进程切换：

所有的保存都是为了恢复，所有的恢复都是为了继续上次的运行位置继续运行。

当前进程的信息都在寄存器保存，如果进程运行时间片到了，进程切换时，将临时数据带走，

cpu内部所有的临时数据，我们叫做进程的硬件上下文数据，所以当进程走的时候，要将这些临时信息保存下来，保存在pcb字段，这个动作叫做保护上下文，此时这个进程已经算是从cpu上剥离了。首次调度，数据覆盖，第二次调度数据恢复：进程被放到cpu上开始运行，将曾经保存的硬件上下文数据进行恢复，

、两个工作：保护山下文，上下文恢复

switch_to
->__switch_to
  ... //浮点寄存器等的切换
  ->cpu_switch_to(prev, next)
arch/arm64/kernel/entry.S：
1032 /*
1033  * Register switch for AArch64. The callee-saved registers need to be saved
1034  * and restored. On entry:
1035  *   x0 = previous task_struct (must be preserved across the switch)
1036  *   x1 = next task_struct
1037  * Previous and next are guaranteed not to be the same.
1038  *
1039  */
1040 ENTRY(cpu_switch_to)
1041         mov     x10, #THREAD_CPU_CONTEXT
1042         add     x8, x0, x10
1043         mov     x9, sp
1044         stp     x19, x20, [x8], #16             // store callee-saved registers
1045         stp     x21, x22, [x8], #16
1046         stp     x23, x24, [x8], #16
1047         stp     x25, x26, [x8], #16
1048         stp     x27, x28, [x8], #16
1049         stp     x29, x9, [x8], #16
1050         str     lr, [x8]
1051         add     x8, x1, x10
1052         ldp     x19, x20, [x8], #16             // restore callee-saved registers
1053         ldp     x21, x22, [x8], #16
1054         ldp     x23, x24, [x8], #16
1055         ldp     x25, x26, [x8], #16
1056         ldp     x27, x28, [x8], #16
1057         ldp     x29, x9, [x8], #16
1058         ldr     lr, [x8]
1059         mov     sp, x9
1060         msr     sp_el0, x1
1061         ret
1062 ENDPROC(cpu_switch_to)

cpu有多个寄存器，但是只有一套，寄存器内部保存的数据可以有多套。

区分：寄存器vs寄存器的内容

铁打的寄存器，流水的数据。虽然寄存器数据放在了一个共享的cpu设备里面，但是所有的数据起其实都是进程私有的。进程在剥离的时候会将临时数据拿走。也就是cpu内的数据在任意时刻属于一个进程，大家去读书馆看同一本书，自己看到那一页这样的数据只属于你，大家都坐在一个位置读书，读一本书，但是属于自己的还是只会属于自己。

进程在cpu上的一生：

首先执行：生成硬件上下文，执行时间片，保存上下文投递到pcb，等待，再次被调用在恢复上下文，所有进程按照这样一样的套路然后被cpu轮流调度，而相关的内容和数据都在内存里，所以访问的速度会非常快，所以进程之间进行轮转的速度也不慢。是按照基于时间片的fifo算法运行。

linux实现进程调度的算法：linux2.6如何进行程序调度：

要考虑优先级和饥饿问题，更重要的linux具体的进程调度要考虑效率

一个cpu对应的运行队列：

①queue【140】进程优先级数组

queue 是一个task_struct * 的指针数组，未来指向一个一个的进程，数组大小为140,0-99是不用的，只采用：100-139，linux不仅仅要考虑基于公平的进程调度这样的原则对应的操作系统是一种实时操作系统，与分时操作系统相对的：

实时操作系统：（作为软件开发大概率用不到），我们现在的操作系统调度的时候都是相对公平的，保证进程在相同的时间片内享受同等的资源，即使有优先级，差距也不会很明显，但是有一类操作系统叫实时操作系统：一但进程运行起来了，就必须将当前进程跑完，然后再跑下一个，所有的进程都必须严格按照顺序去进行依次执行，如果有更高优先级的进行，先调度，实时操作系统对用户有高响应，用户的动作来了，操作系统就必须立马执行。这种叫做实时操作系统。这种操作系统适合于我们现在的自动驾驶，我用户要刹车了，操作系统不能说进程要排队，先把QQ音乐运行完。所以学习操作系统很多东西是在不同情况下使用的，所以，我们当前操作系统只考虑我们的100-139,0-99表示的实时优先级。

进程被调度后，然后通过优先级：优先级-60+100放入数组的对应下标的优先级队列中：

比如优先级为80,80-60+100 = 120，放入下标为120的进程中

进程进入队列不是胡乱进入的，而是结合自己的优先级进入，每个进程根据自己的优先级进行排队，优先级队列，操作系统只用对优先级数组通过下标遍历，实际操作系统没有那么多的进程，

②bitmap[5] 位图--提升优先级的遍历效率

但是我们这里毕竟还是40个队列，难道每次都要变量整个数组检测吗？虽然是常数级，而且判断也只不过是为空不为，但是还是比较麻烦，linux给我们提供了一个bitmap[5]这个变量，是一个int 类型变量，一个整型4个字节，32个比特位，32*5 = 160,160个比特位，用比特位的位置，表示哪一个位置，比特位的内容表示该队列是否为空：其中有20个比特位不用：

比特位为1说明有进程队列，如果为0就说明没有进程队列，所以检测队列中是否有进程就转换为检测对应的比特位是否是1.位操作比遍历操作快得多。我们当时检测比特位为1的数目这样的题目是做过的，以整型为单位，一次可以检测32个队列，如果bitmap某一个下标（0-4），位0，说明这32个进程队列为空，数字不等于0，说明有1，那么我们找到最小比特位为1的进程队列就可以，效率大大提升。在选择进程这件事上时间复杂度几乎可以做到O(1),不管有多少进程，对于操作系统来说只是检测位图的事情，所以这也被称之为：O(1)调度算法

但是到现在进程的调度还是有一些疑问：如果我们现在的进程很多都是优先级高的进程，是不是就意味着优先级低的进程的饥饿went还有实际上进程在运行的时候，操作系统还要放入进程，那么会不会导致一个进程优先级的进程队列一直在运行，其他优先级的就是饥饿状态，是存在的。但是我们的设计者非常聪明：又搞了一块一模一样的结构：

③过期队列和活跃队列

当我们cpu在进行正常执行的时候，选中一个数组，调度上面所有进程，后续再来的进程就到下一个优先级数组里面去。当前运行的数组优先级队列叫做活跃队列，而后续我们进程放入的队列称为我们的过期队列。cpu调度cpu的，操作系统放操做系统的进程，相当于一期一时期的调用，过期队列的位图相应的也设置好。

④两个struct q * 的指针，实现活跃队列和过期队列的内容切换

对于设计者来说：

这两个东西存放的数据和数据类型是一样的呀，就可以使用一个数组来管理这两块，那么这个数组的类型应该是一个结构体的类型：

struct q

{
nr_active;//当前队列中有多少活跃的进程，也就是进程优先级最高的进程

bitmap[5];//进程的位图

queue[140];//进程队列数组

}

那么我们创建这样一个数组：struct q arr[2];

arr[0]就代表我们的活跃队列

arr[1]代表过期队列

然后我们的运行队列中还有两个struct q * 的指针:

struct q* active = & arr[0] struct q* expired = &arr[1]

分别对应我们的活跃队列和过期队列，后续我们的操作体系调度时都是通过指针读取bitmap和优先级数组，然后就就可以访问进程了。

而对于新增进程，都放入过期队列中，活跃队列进程不断减少运行完毕，过期队列进程不断增多，然后我们将两个指针指向的内容进行交换，我们的过期队列里面的内容就变成活跃队列内容了，周而复始，基于优先级队列的O(1)的调度算法调度进程就可以完成了。

两个指针交换的时候，更改的是指针变量的内容也就是地址交换呀，只有4字节或者8字节的数据交换。

这样的设计：

每一次调度都是o(1)时间复杂度,每个优先级都可以照顾到位，对应40个优先级的数组

第二个，调度效率高，通过位图确定特定优先级

第三个还考虑了饥饿的问题，因为经过过期和活跃队列切换，让优先级低的进程也能被调度。

4.总结进程的创建到调度

进程创建后接着创建进程的 pcb,将数据和代码加载到内存，进程pcb排入进程队列，同时pcb还要属于所有进程都在的双链表中，一但被调度，就要看进程的状态和优先级，状态：可能在运行可能在阻塞，状态决定了进程状态字段是多少（0,1,2表示t,s等），以及pcb进入哪一个等待队列，有了优先级就可以正常执行了，根据优先级执行一定要先保证能够实现基本的进程的切换，因为要被调度，可能一个时间片没有跑完，就要执行上下文的切换，就有上下文保护和恢复的概念，我们的切换就有了，我们的进程被动态执行调度就有了，然后再看系统层面上如何对进程做调度做管理，linux内核采用的是基于大O(1)的时间片轮转算法：两个队列再用两个指针，必要时进行交换。