Linux：进程的优先级 进程切换

前言

本文主要介绍了进程的优先级及其调度算法：

一、进程优先级

我们计算机里面一般只有一个cpu用来处理进程数据，所以对于进程获得CPU的使用权需要一种重要调度指标，而进程优先级就是这种指标，它用来决定一个进程能够优先获得CPU时间、内存等系统资源。

1.1 基本概念

• cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）。
• 优先权⾼的进程有优先执⾏权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有⽤，可以改善系统性
  能。
• 还可以把进程运⾏到指定的CPU上，这样⼀来，把不重要的进程安排到某个CPU，可能会改善
  系统整体性能。

1.2 查看系统进程

在linux或者unix系统中，⽤ps ‒l 命令则会类似输出以下⼏个内容：

ps -l命令用于显示当前终端上的所有进程的详细信息。
ps -al命令则更加全面，它显示了系统中所有用户的所有进程（包括其他用户的进程）的详细信息。与ps -l相比，ps -al的输出包含了更多进程的信息，并且不受当前终端的限制。

我们很容易注意到其中的⼏个重要信息，有下：
• UID : 代表执⾏者的⾝份
• PID : 代表这个进程的代号
• PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍⽣⽽来的，亦即⽗进程的代号
• PRI ：代表这个进程可被执⾏的优先级，其值越⼩越早被执⾏默认为80
• NI ：代表这个进程的nice值

1.3 PRI和NI

• PRI也还是⽐较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执⾏的先后顺序，此
值越⼩进程的优先级别越⾼
• 那NI呢?就是我们所要说的nice值了，其表⽰进程可被执⾏的优先级的修正数值
• PRI值越⼩越快被执⾏，那么加⼊nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(oldest)+nice(这意味着我们修改进程优先级的时候，无论中间的PRI怎么改变，都会会以最开始的PRI值作为基准值去改变)
• 这样，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变⼩，即其优先级会变⾼，则其越快
被执⾏
• 所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值
•nice其取值范围是-20⾄19，⼀共40个级别。（当我们调整的nice值超过这个区间的时候，会以区间里面的最低或最高值作为nice值）

• 需要强调⼀点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是⼀个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。可以理解nice值是进程优先级的修正数据

1.4 调整优先级

虽然一般情况下我们是不需要调整优先级的，不过我们仍然需要了解如何调整优先级。使用下面的命令都需要管理者的身份。

1.4.1 top命令

⽤top命令更改已存在进程的nice：

• top
• 进⼊top后按“r”‒>输⼊进程PID‒>输⼊nice值
• 按”q“退出，及修改完成

1.4.2 nice命令

nice命令用于在启动一个新进程时指定其优先级，即进程的“nice值”。Nice值是一个整数，范围从-20（最高优先级）到19（最低优先级），默认情况下，大多数进程的nice值为0。

• 语法：nice [选项] [nice值] 命令 [参数]
• 参数：
  -n 或 --adjustment：指定nice值的增量或减量。
  -h 或 --help：显示帮助信息。
  -V 或 --version：显示版本信息。

1.4.3 renice命令

renice命令用于修改已经运行的进程的优先级。

• 语法：renice [选项] 优先级 进程ID
• 选项：
  -n：指定要改变的优先级值，取值范围为-20到19。
  -g：指定要调整优先级的进程组ID。
  -u：指定要调整优先级的用户名。
  -p：指定要调整优先级的进程ID（默认）。
  -h 或 --help：显示帮助信息。
  -V 或 --version：显示版本信息。

二、进程切换

2.1 补充概念

• 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

2.2 进程的运行和切换步骤（重要）

在进程运行的过程中会有个时间片的概念，是操作系统进行进程调度时分配给每个进程的一段固定时间。这么做一部分上是为了防止某个进程卡死的情况，例如某个进程调度的时候代码内部有个while（1）函数导致一直运行。及时的切换到运行队列里其它进程是很有必要的

时间片内，进程可以执行其代码、访问内存和进行输入输出操作。当进程的时间片用完时，操作系统会暂停该进程的执行，并将其保存到某种状态（通常是通过进程控制块PCB），然后切换到另一个进程的时间片。

切换步骤:

1. 一个时间片结束的进程但是还没被cpu执行完其内部的所有代码数据，从cpu内被剥离下来
2. 此时进程内临时运行的数据（比如执行到代码的哪一行了，其中变量的一些数据等）会被保存下来（通常是保存到进程的私有堆栈，也就是保存在task_struct本身，及task_struct里面会定义一个或多个变量或指针来存储自己寄存器里面的信息），及cpu内寄存器里面的内容（当前进程的上下文数据）会被保存到某个指定的地方
3. 这样子寄存器就可以处理新的进程的数据了，而旧的进程可以重新链入运行队列
4. 当恢复到这个进程的时候，就会把前一次本进程被中止时的中间数据再恢复到cpu寄存器里面去
   

二、Linux2.6内核进程O(1)调度队列（重要）

操作系统是如何根据优先级来开展的调度呢？
一个cpu一个运行队列

其中queue的类型为struct task_struct队列中的[0-99]为实时优先级我们不做考虑，而[100-139]则是我们进程的优先级序列。

2.1 基本过程

在Linux2.6内核中，每个CPU都拥有一个独立的运行队列（run_queue）。
运行队列用于管理和调度该CPU上的所有可运行进程。

task_struct结构体：
在Linux内核中，每个进程都有一个对应的task_struct结构体，用于存储该进程的所有信息。
它会被链入运行队列中，在运行队列中，task_struct结构体通过指针数组来维护不同优先级的进程队列。
其下的run 对应上面active ，wait对应expired ，running对应活跃进程，waiting对应过期进程

这是一个类似哈希链地址法的指针数组，遍历这个指针数组从上到下，从左到右就完成了对进程的优先级的调度！！！
除此之外我们在running下设计了个waiting，这么做的目的是

当我们遍历这个指针数组的时候，可能会有新的task_struct插入进来，或者一个进程时间片结束后进程还没被cpu处理完，那么此时就会进入到waiting里面，当running这个指针数组遍历完的时候，利用位图（bitmap）判断指针数据这个队列是否为空，然后只需要交换上面图片中的run和wait两者指向指针的地址，就能继续调度未处理完数据或者新的task_struct了！