【Linux】进程切换与优先级

前言：

        上文我们讲到了操作系统与Linux中进程的状态【Linux】进程状态-CSDN博客

        本文我们来讲进程的优先级、以及进程的切换

进程优先级

什么是优先级？ 

        CPU中资源是有限的，而进程的数量一定是远大于CPU资源的，所以优先级是进程得到CPU资源的先后顺序。优先级也是进程的属性之一，保存在PCB中。

优先级的实现

优先级是进程的属性之一，保存在PCB中。

        优先级中PCB中用整型表示，其值越小表示优先级越高，反之优先级越低。

        优先级是可以被修改的。但考虑到时间片的分时操作系统，以及公平性，优先级不能出现大幅度的修改。

        如上图，我在Linux中使用执行查看当前正在运行的进程信息。可以看到红圈这两个值：

        PRI：表示进程的优先级，其默认值是80

        NI：表示进程优先级的修正数据，称为nice值

        优先级的修改：是通过nice值的修改实现的，既最终的优先级 = PRI + NI

        如图，通过renice指令来修改进程的优先级后，我们再次查看进程信息可以发现第一个被修改的进程NI变成了10。最终的优先级变成了90。 说明默认值是不改变的，优先级修改是通过nice值的修改而实现的

       

补充：UID

        如上图，我们可以看到第三列有一个叫做UID的。那什么是UID呢？

        UID：user id，表示用户标识符 

        在linux中任何访问资源的操作都是进程实现的，进程代表当前的用户。那系统是如何判断当前进程访问的权限的呢？

        其实就是通过UID实现的：通过进程中的UID与文件的UID相比较，就可以判断出这个进程的访问权限是拥有者、所属组还是other。

优先级的极值

        如图可知，优先级的范围是[60 - 99]，而nice值的范围是[-20 - 19]

        优先级范围设置的并不宽泛，因为优先级范围设置过大会导致，优先级低的进程长时间不能获得CPU资源，进而导致：进程饥饿。

 

进程关系

竞争性：进程与进程之间是存在竞争关系的。CPU资源有限，为获得CPU资源，为了高效完成任务，更合理的竞争相关资源，便有了优先级。

独立性：多进程运行时，各个进程之间是独享资源的，互不干扰。

并行：多个进程在多个CPU下，同时运行。

并发：多个进程在一个CPU下不停的切换运行，在一段时间内，让多个进程不断推进。

进程切换

        进程的切换讨论范围在长代码与死循环代码，因为较短的代码一瞬间就执行完毕了，没有切换这一说法

死循环进程

        死循环进程一段占用CPU执行代码，会一直占用CPU吗？

        并不会，因为在计算机是分时操作系统，在进程执行的过程中存在“时间片”。每个进程都有其适合的“时间片”（本质其实就是计数器），时间片达到时，进程就会从CPU上剥离下来。

        所以死循环并不会一直占用CPU。

CPU中的寄存器

        CPU中存在各种各样的寄存器，用于保存当前正在运行进程的各种临时数据

        寄存器就是CPU内部的临时空间

        寄存器！=寄存器中的数据

如何切换

        A进程占用CPU执行完一个时间片后，要被剥离CPU，进而执行下一个进程。

        那么当再次执行A进程时，应该从上次执行位置开始继续向下执行。 这就意味着剥离时，需要当前进程把自己的上下文记录下来，以便于下一次继续执行。

        进程上下文保存到了哪里呢？保存到了进程task_struct的TSS中（TSS：任务状态段），下一次执行时，之间覆盖CPU中的寄存器内容即可。

        对于以及执行过的进程才需要记录上下文，对于之前还没有执行过的继承无需记录，及其将寄存器内容初始化即可。

Linux中真实的调度算法：O(1)调度算法

        如上图，runqueue是一个运行队列，且一个CPU只有一个运行队列。

queue[140]

        我们先来介绍一下queue[140]：它的数据类型是 struct task_struct*

struct task_struct* queue[140]

        queue一共有140个元素，一个元素就是一个进程队列，其下标映射了优先级。前100个元素代表实时优先级（我们不关心）后40个代表我们上面所讲的普通优先级。

        我们之前讲到优先级的范围是：60~99，那对应在queue中的下标表示就是：100~139（x - 60 +100)。比如优先级为64的进程就会链接至下标为104的节点下，多个优先级一样的进程都会被依次链接在同一个进程队列中。

bitmap

        bitmap[5]用于在queue中快速查找进程。

        bitmap的数据类型是 unsigned int，一个元素有32bit，一个有5个这样的元素。

        用bit位记录进程信息，0表示没有进程，1表示有进程。从下标0开查询，一次性查询32个位置，并从最后一个“1”开始调用进程（既优先级最高的进程位置）。

nr_active

        记录进程的个数，当进程个数为0时，不在使用bitmap查询进程。

过期队列与活跃队列

        在图中我们可以看到有两个一模一样的队列结构（蓝框与红框），并由两个指针分别指向：active（活跃）、expired（过期）。

        active指向的队列叫做活跃队列，反之另一个叫过期队列。

        活跃队列上的进程是要占用CPU资源，执行代码的。当活跃队列上的进程执行完一个时间片后，会放到过期队列中的相应位置上（优先级对应的位置）。当活跃队列上的进程全部执行完时，active指针与expired指针交换：过期队列再次变为活跃队列，继续执行之前的进程。

Linux中进程切换的整体过程

        1.由bitmap在活跃队列中查询进程位置（优先级最高进程的位置）       

        2.依次占用CPU资源，执行相关进程

        3.时间片耗尽，记录上下文后从CPU上剥离，并链接至过期队列中

        4.直到活跃队列中没有进程，指针交换，再次循环至第一步

补充：

        如果新建了一个进程，是插入活跃队列还是过期队列？

        ：活跃队列，新创建的进程应该尽快获得执行机会，而不是放入已经执行过的过期队列中等待下一次的调度