Linux下的进程切换与调度

目录

1.进程的优先级

优先级是什么

Linux下优先级的具体做法

优先级的调整为什么要受限

2.Linux下的进程切换

3.Linux下进程的调度

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1.进程的优先级

我们在使用计算机的时候，通常会启动多个程序，这些程序最后都会变成进程，但是我们的硬件设备都只有一套，当多个进程需要使用同一个硬件设备的时候，就必须进行排队，那进程按照什么来排队呢？就是按照优先级来排队的。也就是说，Linux系统是通过优先级的方式来决定进程享受资源的先后顺序的。

优先级是什么

优先级和标识符一样，也是进程的属性，进程的属性包含在task_struct结构体中，所以，进程的优先级其实就是task_struct结构体中的一个变量。

Linux下优先级的具体做法

Linux系统通过 PRI 和 NI 共同决定优先级的大小：

• PRI 表示进程的优先级，PRI的初始值为80。
• NI表示进程优先级的修正数据，NI的初始值为0。
• PRI = PRI（old）+ NI。

我们可以通过 ps -l 命令查看进程的优先级：

• 注意：PRI的值越小，优先级越高。

如果我们想调整进程的优先级，我们只能通过修改nice值NI来修改，而不能直接修改PRI，修改优先级的步骤如下：

• 输入top命令并回车
• 输入r并回车
• 输入要修改进程的pid并回车
• 输入nice值并回车

Linux的优先级是有范围的，从60到99，一共40个优先级；NI的取值范围就是[-20, 19]。NI 更像是进程优先级的修正数据。

优先级的调整为什么要受限

如果优先级的调整不加限制，用户就可能会将自己进程的优先级调整的非常高，把别人的进程的优先级调整的非常低，优先级较高的进程优先得到资源，后续还有源源不断的进程产生，常规进程就很难享受到资源，这样一来就会造成一些进程饥饿。

2.Linux下的进程切换

当程序加载到内存形成进程之后，会以双链表的形式组织起来，CPU的运行队列的指针会指向其中一个task_struct，CPU就会从运行队列中拿进程去执行，当代计算机系统都有一个时间片，也就是进程占有CPU的最大时间，当时间片结束之后，就需要把当前正在执行的进程从CPU上剥离下来，换另一个进程去占有CPU，但是进程在运行过程中，会产生大量的临时数据，这些临时数据存放在CPU上的寄存器中，CPU内部所有的临时数据，我们称之为进程的上下文，剥离当前进程的时候，我们需要对进程的上下文进行保存，保存在task_struct结构体中的一个结构体变量中，保存好当前进程的上下文之后，操作系统才能够选择一个新的进程放在CPU上执行，当再次执行到保存好上下文的进程的时候，操作系统会先将该进程的上下文恢复，然后从上一次执行的结束位置开始执行。

• 进程的切换始终遵守上述过程。

3.Linux下进程的调度

在CPU的运行队列中，有一个struct q array[2]，array[0]是活动队列，array[1]是过期队列，struct q 类型的结构如下：

• task_struct queue[140]：表示存放 task_struct 的数组，一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度，所以，数组下标就是优先级，但是[0,99]号下标我们不用，我们只使用[100,139]下标，一共40个，和进程的优先级对应起来了。
• nr_active：表示总共有多少个运行状态的进程。
• bitmap[5]：一共140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5*32个比特位表示队列是否为空，这样，便可以大大提高查找效率。

运行队列中的 *active = &array[0], *expired = &array[1] 。

操作系统每次调度的时候，只会检查活动队列中的内容，先看nr_active是否为0，不为0的话，表示有运行的进程，然后通过bitmap按顺序判断进程在queue中所处的下标，通过下标直接找到当前优先级的所有进程的PCB，然后依次将当前优先级的所有进程运行一定的时间后，继续寻找下一个优先级的所有进程。

所有运行之后的进程会按照优先级以及先后顺序放到过期队列中，此时可能还会有新的进程到来，当活动队列中的进程全部运行结束之后，交换*active和*expired中的内容，这样一来，过期队列中的内容就到活动队列中去了，然后操作系统继续调度活动队列中的内容，这就是Linux操作系统中关于进程调度的O(1)调度算法。