Linux进程调度和进程切换

并行（Parallel）

含义：并行是指多个任务在同一时刻同时执行。

硬件要求：需要多个处理器（如多核CPU）或者多台计算设备来实现，这些执行单元能够真正地同时处理不同的任务。例如，一个具有4个核心的CPU可以同时执行4个不同的任务，每个核心负责一个任务的执行。

执行特点：任务之间真正地同时进行，不存在资源共享带来的相互等待，能够极大地提高计算速度，适用于计算密集型任务。

并发（Concurrent）

含义：并发是指多个任务在宏观上看起来是同时执行的，但在微观上，这些任务是交替执行的。

实现方式：在单处理器（单核CPU）系统中，通过操作系统的调度机制，快速地在多个任务之间切换，使得每个任务都能得到一定的执行时间片，从而给人一种同时执行的感觉。例如，在一个单核CPU的计算机上同时打开浏览器、音乐播放器和文档编辑器，操作系统通过调度使这三个程序交替运行。

应用场景：可以有效地利用系统资源，提高系统的资源利用率和响应速度，适用于I/O密集型任务，因为在I/O操作（如磁盘读写、网络传输）期间，CPU可以切换去执行其他任务。

每一个进程都要有自己的时间片，时间变到了进程就要切换。Linux是基于时间片进行调度轮转的一个进程的时间片到了。不一定跑完可以在任何地方都可以重新被调度和切换。

Linux中的进程调度

目标与原则

目标是在多个进程间合理分配CPU资源，提高系统的整体效率、响应速度和公平性。

遵循一定的原则，如保证系统的实时性需求（对于实时进程）、提高系统吞吐量、满足用户交互体验等。

调度算法

主要采用完全公平调度算法（CFS）。CFS基于虚拟运行时间（vruntime）概念，每个进程都有自己的vruntime，它与进程的实际运行时间、权重（反映优先级）相关。通过比较vruntime来决定进程的调度顺序，vruntime小的进程优先获得CPU。CFS使用红黑树来管理就绪进程，按照vruntime值进行排序，调度时选择红黑树最左端（vruntime最小）的进程运行。

同时也存在其他调度策略用于特殊进程，如实时进程采用的实时调度策略，以确保对时间敏感的任务能及时执行。

调度时机

进程状态改变时，如从运行态变为阻塞态（例如等待I/O操作），此时需要重新调度其他就绪进程运行。

时间片用完，CFS虽然没有传统意义上的固定时间片，但当一个进程运行一段时间后，其vruntime增长，可能不再是最小，就会触发调度让其他进程运行。

有更高优先级的进程进入就绪队列时，会抢占当前正在运行的低优先级进程的CPU资源而被调度运行。

Linux中的进程切换

进程调度的本质就是取指令更新PC指令分析指令执行。

保存当前进程上下文

包括保存程序计数器（PC），它指向当前正在执行的指令地址，保存通用寄存器（如EAX、EBX等）的值，这些寄存器存储着进程运行中的临时数据，还有栈指针（SP）等其他相关寄存器的值。这些信息被保存到当前进程的内核栈中，以便后续恢复进程执行时使用。

切换地址空间相关操作

切换页表，因为不同进程有各自独立的虚拟地址空间到物理地址空间的映射。Linux使用页表来管理这种映射关系，进程切换时要将当前页表切换为下一个要运行进程的页表。

恢复新进程上下文

从新进程的内核栈中恢复之前保存的程序计数器、寄存器的值等信息，使新进程可以从上次中断的地方继续执行，从而完成进程的切换操作。进程切换是有开销的，包括保存和恢复上下文、切换页表等操作所花费的时间，如果进程切换过于频繁会影响系统的性能。