Linux 进程优先级 进程切换

目录

优先级

概念

为什么优先级要限制在一定范围内

进程切换

方式

EIP寄存器(程序计数器)

进程在运行时会使用寄存器来保存临时数据

进程的上下文是什么？

进程的上下文保存到哪？

内核栈或专门的上下文结构也在内核空间？那为什么不直接放在task_struct里？

内核栈拓展

Linux2.6.11下进程的调度队列

运行队列

调度队列概念

字段

prio_array结构

调度的做法

问为什么要两个prio_array?

重点

优先级

概念

• 进程在竞争系统资源时的执行顺序
• 优先级的范围60-99，默认为80；这里60最大
• 进程PCB中存在nice值，通过修改nice值来修改优先级
• PRI = pri + NI；pri为确定的起点即80；加减nice值得到最终值
• 改nice值：top；r；pid；nice     不能用小键盘，Backspace也不可以；这通常是因为 top 命令的输入模式或终端设置的问题

为什么优先级要限制在一定范围内

1. 较为均衡的让每一个进程都要得到调度，不然容易导致优先级较低的进程无法得到CPU资源，出现进程饥饿
2. 补充：这种限制能够帮助操作系统更好地管理资源分配，使所有进程都有机会得到调度，进而确保系统的整体性能和响应性。

进程切换

方式

• 在 Linux 中，进程的调度和切换主要是基于 时间片轮转 和 抢占式调度 的组合方式

EIP寄存器(程序计数器)

• 保存着当前进程正在执行的指令的地址；当进程切换时，操作系统会保存当前进程的 EIP 值，这样当该进程再次获得 CPU 资源时，可以从正确的位置继续执行

进程在运行时会使用寄存器来保存临时数据

• CPU 寄存器用于存放临时数据、操作数、地址以及其他关键信息
• 每个进程都有其自己的寄存器内容，寄存器中存储的数据对不同的进程来说是不同的

进程的上下文是什么？

• 上下文 是指进程在 CPU 上执行时的所有状态信息，这包括程序计数器（EIP）、通用寄存器、标志寄存器、状态寄存器、栈指针以及其它状态信息

进程的上下文保存到哪？

• 老系统会将当前进程的上下文保存到PCB
• 现代操作系统，特别是在 Linux 中，由于内核的演变和复杂性增加，PCB 结构变得越来越大进程的上下文并不总是直接保存在 PCB，而是在保存到其内核栈或专门的上下文结构，并通过 PCB 中的指针引用这些信息

内核栈或专门的上下文结构也在内核空间？那为什么不直接放在task_struct里？

• 一个较小的 task_struct 更容易管理，尤其是在频繁的进程调度和上下文切换中，减少 task_struct 的大小，使得调度器在进行进程切换时能够更快地访问和操作这些数据
• 灵活性和扩展性

内核栈拓展

• 作用：内核栈是每个进程在内核态时使用的一块内存区域(位于内核空间)，通常用于存储函数调用的返回地址、局部变量、函数参数以及进程在进入内核态时的上下文信息（如寄存器的内容）
• 每个进程在进入内核态时都会使用自己独立的内核栈（例如 8 KB 或 16 KB），以确保足够的空间存储局部变量和上下文信息
• 使用自己独立的内核栈用于与CPU寄存器内容和内核栈内容的“切换”(赋值操作)

Linux2.6.11下进程的调度队列

这是一个调度器使用的运行队列的数据结构 

运行队列

• 是一种特定的调度队列，专门用于管理和调度那些已经准备好运行的进程

调度队列概念

• 调度队列是一个泛指的概念，用来描述系统中所有等待被调度的进程的集合，它涵盖了操作系统中用于管理不同状态和不同需求的各种队列
• 就绪队列
• 等待队列
• 阻塞队列

字段

• active：active 是一个指针，它指向 prio_array 结构；prio_array 结构中包含了实际的队列数据（即不同优先级的进程链表）包含所有当前正在运行或准备运行的进程。这些进程有剩余的时间片，且调度器会优先从这个队列中选择进程进行调度
• expired：包含那些已经用完时间片的进程。进程在用完分配的时间片后会被移动到 expired 队列中，等待下一轮调度周期

prio_array结构

• nr_active：当前活跃的进程数量(一共有多少个进程)
• bitmap[5]：用于标识哪些优先级队列非空的位图(32 * 5 个0，用其中的0-139位来表示queue指针数组中下标对应的元素是否为空)
• queue：这是一个链表数组，包含了所有不同优先级的进程队列

调度的做法

• 新的进程链入expired的进程链表中
• 通过swap(avtive,  expired)即可交换

问为什么要两个prio_array?

• 防止一直插入优先级高的进程，导致优先级低的进程一直得不到调度出现进程饥饿

重点

1. 优先级概念，怎么修改，作用
2. 进程切换中，EIP寄存器，上下文，内核栈是需要 理解记忆 的
3. Linux2.6.11的调度队列，可以当做自己对进程调度时运行队列的理解逻辑