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【Linux】(1)—进程概念-⑤进程调度

news 来源：原创 2025/6/7 11:23:55

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前言
一、进程调度

前言

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、Linux进程调度概述

1.1 进程调度的基本概念

进程调度是操作系统决定哪个进程在何时使用CPU资源的过程。Linux作为一个多任务操作系统，需要有效地管理多个进程对CPU的共享访问。

调度器的核心任务：

决定哪个进程获得CPU使用权
决定进程占用CPU的时间长度
确保所有进程公平合理地获得CPU资源
保证系统吞吐量和响应时间的平衡

1.2 Linux调度器发展

Linux调度器经历了多个版本的演进：

O(n)调度器：早期版本，遍历所有进程选择最优，复杂度高
O(1)调度器：2.6内核引入，固定时间选择进程
CFS（完全公平调度器）：2.6.23后默认调度器，基于红黑树实现

二、Linux进程优先级

2.1 优先级的基本概念

在Linux中，每个进程都有优先级属性，决定了它获得CPU资源的顺序。优先级分为两类：

普通优先级：100-139（对应nice值-20到19）
实时优先级：0-99（数值越小优先级越高）

关键字段说明：

PRI：进程优先级（Priority）
NI：nice值，用于调整优先级
PRI(new) = PRI(old) + NI

2.2 nice值与优先级调整

nice值影响进程的优先级，取值范围为-20到19：

负nice值：提高优先级（更可能获得CPU）
正nice值：降低优先级（更少获得CPU）

2.3 优先级调整示例代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/resource.h>int main() {// 获取当前nice值int current = getpriority(PRIO_PROCESS, 0);printf("Current nice value: %d\n", current);// 设置新的nice值if (setpriority(PRIO_PROCESS, 0, -5) == -1) {perror("setpriority");return 1;}printf("New nice value set to -5\n");// 验证新nice值current = getpriority(PRIO_PROCESS, 0);printf("Verified nice value: %d\n", current);return 0;
}

三、进程的竞争性与独立性

3.1 进程的竞争性

竞争性指多个进程争夺有限系统资源（特别是CPU资源）的特性：

系统进程数量通常远多于CPU核心数
进程需要竞争CPU时间片来执行
优先级机制确保重要进程优先获得资源

竞争性导致的问题：

资源争用可能导致性能下降
低优先级进程可能"饥饿"（长期得不到资源）

解决方案：

合理的优先级设置
公平的调度算法（如CFS）
进程间的通信与同步机制

3.2 进程的独立性

独立性指进程间相互隔离、互不干扰的特性：

每个进程有独立的地址空间
一个进程崩溃不会影响其他进程
进程间资源默认不共享

独立性的实现机制：

虚拟内存管理
进程隔离技术
权限控制

独立性的好处：

提高系统稳定性
增强安全性
简化程序设计

四、并行与并发

4.1 基本概念

并行（Parallelism）：
- 真正的同时执行
- 需要多核/多CPU支持
- 多个进程/线程在不同CPU核心上同时运行
并发（Concurrency）：
- 逻辑上的同时执行
- 单核CPU通过快速切换实现
- 多个进程/线程交替使用CPU

4.2 Linux中的并行与并发实现

并行的实现：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {pid_t pid1 = fork();if (pid1 == 0) {// 子进程1printf("Child 1 running on core ?\n");while(1); // 无限循环}pid_t pid2 = fork();if (pid2 == 0) {// 子进程2printf("Child 2 running on core ?\n");while(1); // 无限循环}// 父进程等待wait(NULL);wait(NULL);return 0;
}

使用taskset可以绑定进程到特定CPU核心：

并发的实现：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>void* thread_func(void* arg) {int id = *(int*)arg;for (int i = 0; i < 5; i++) {printf("Thread %d: %d\n", id, i);sleep(1);}return NULL;
}int main() {pthread_t t1, t2;int id1 = 1, id2 = 2;pthread_create(&t1, NULL, thread_func, &id1);pthread_create(&t2, NULL, thread_func, &id2);pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);return 0;
}

4.3 并行与并发的对比

特性	并行	并发
执行方式	物理上同时执行	逻辑上同时执行
硬件要求	需要多核/多CPU	单核即可实现
实现机制	多进程/多线程分布在多个核心上	时间片轮转快速切换
性能影响	真正提高吞吐量	提高响应性和资源利用率
典型应用	科学计算、批量处理	Web服务器、GUI应用

五、Linux O(1)调度算法

5.1 O(1)调度器架构

Linux 2.6内核引入了O(1)调度器，其主要特点：

固定时间复杂度：无论进程数量多少，选择下一个进程的时间恒定
双队列结构：活动队列和过期队列
优先级数组：每个优先级一个队列

关键数据结构：

struct runqueue {struct prio_array *active;    // 活动队列struct prio_array *expired;   // 过期队列// ...其他字段...
};struct prio_array {unsigned int nr_active;       // 活动进程数unsigned long bitmap[5];      // 优先级位图struct list_head queue[140];  // 优先级队列
};