(Linux2.6内核)进程调度队列与切换

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我们首先来了解几个概念

1. 进程在CPU上运行的时候，一定要运行完才行吗？答案是否定的，我们大部分的操作系统，主流就是分时操作系统，即基于时间片进程轮转执行的。

时间片是什么呢？ 

就是进程有一个执行时间，这个时间到了就算没执行完，也不会继续执行，而是会执行下一个进程，每个进程都有自己的时间片，时间片到了就下一个进程。

2. 竞争性：系统进程很多，但是CPU只有少数，我们大部分人用的只有一个，为了更高效完成任务，需要合理竞争相关资源，于是就有了优先级。

  独立性：进程相互之间是独立的，多进程同时运行相互之间不会影响。

     并行：多个进程在多个CPU下分别，同时运行。

     并发：多个进程在一个CPU下通过进程切换的方式，在一段时间内，让多个进程同时推进，称之为并发。

进程的切换

        我们要先知道CPU里有很多的寄存器，这些寄存器用来计算进程的代码和数据，寄存器也可以存储数据，eip这个寄存器存储将要执行的下一行代码的地址，CPU执行到哪一行，那行的代码和数据就会输入寄存器，寄存器计算后会返回一个结果，同时在寄存器内产生大量临时数据，这个临时数据我们叫做进程的硬件上下文。

        在一个进程时间片结束时，会将CPU寄存器中的临时数据保存在task_struct中，下一次执行时，将数据覆盖在寄存器上，继续上一次的执行，如果是首次执行的寄存器，会从头开始执行，每个进程的数据都是私有的，寄存器中上一个进程留下的临时数据不会被下一个进程读取，下一个进程会将自己的数据在寄存器上进行覆盖。

所有的保存是为了最终数据的恢复，所有的恢复都是为了继续上次的运行。

进程的调度

我们说，一个程序本质就是二进制文件，是文件就保存在磁盘中，而想要运行这个程序，就要先将其加载到内存中，而加载到内存中，就要被操作系统所管理，于是操作系统建立了他的PCB，也就是task_struct，然后将程序加载到内存中，描述了这个程序之后，将其连入数据结构中进管理，于是这个可执行程序的代码和数据+内核数据结构就构成了进程，而进程要想被CPU运行，就要先进入CPU的运行队列进行排队，而排队的进程也有优先级，Linux实现进程调度的算法，既要考虑优先级，还要考虑饥饿问题，以及效率。

上图就是Linux2.6内核中进程队列的数据结构。

首先，queue[140]这个数组中的每个元素都是task_struct*类型，也就是指向进程的进程控制块，这个数组我们只会用到下标100~139，40个下标对应了我们40个优先级，下标越靠前，优先级越高。

CPU在执行进程时，就会去遍历这个数组，如果不为NULL，就说明这个优先级有队列，就会开始执行这个队列的进程，这个队列的进程执行完或者时间片结束，就会离开这个队列，于是活跃队列中的进程越来越少，直到全部为NULL。

我们定义一个 struct q这样的结构体，再用这样一个结构体定义一个数组，我们的active以及expired都是struct q*类型，分别指向这个数组的元素，active指向的活跃队列，expire指向过期队列，CPU执行活跃队列里的进程时，当有优先级高的进程就绪时，不会进入活跃队列，而是进入过期队列中对应下标中，当活跃队列中的进程时间片结束，但是没有执行完，也会按照优先级进入过期队列相应的下标中，当活跃队列全部为空时，执行swap(&active,&expired),交换指针，过期队列也就变成了活跃队列，活跃队列变成过期队列，CPU不会直接去访问这个数组中的结构体，而是通过这两个指针去访问队列。

再一个，CPU不会去遍历queue，而是通过其他算法，也就是通过我们的bitmap数组，32*5共160个字节，我们使用其中140个bit位，对应queue中的每个下标，如果下标为空，那么对应在bitmap中的那个bit位就是0，不为空就是1，因为bitmap有5个字节，我们会通看这个数组的每一个元素是否为0，为0，直接下一个元素，省去了遍历32个位，不为0，我们就通过位运算去取到bit位为1的位置，然后CPU去执行！这样就再次提高了效率，Linux进程调度的算法以及其结构非常优秀！