【Linux】进程优先级切换调度
1. 进程优先级
1.1 基本概念
是什么？
是进程得到CPU资源的先后顺序
为什么？
目标资源稀缺，导致要通过优先级确认谁先谁后的问题
优先级 vs 权限
优先级本质上是能得到资源，先后的问题。权限本质是是否能得到某种资源的问题。
怎么办？
也是一种数字。int，task_struct
值越低，优先级越高，反之，优先级越低。
基于时间片的分时操作系统，考虑公平性，优先级可能变化，但是变化幅度不能太大
1.2 查看系统进程
- UID：即用户 ID，决定进程拥有的权限（如普通用户 UID≠0，无法执行修改系统配置等 root 操作），确保进程只能访问自身权限范围内的资源。
- PID：进程唯一标识，内核通过 PID 管理进程（如
kill PID终止进程、waitpid(PID)回收子进程），避免进程混淆。 - PPID：父进程 ID，明确进程的 “血缘关系”，用于追溯进程来源（如通过 PPID 找到创建当前进程的父进程），也是孤儿进程被领养的判断依据。
- PRI：静态优先级（内核设定，用户无法直接修改），直接影响 CPU 调度顺序，值越小越先被分配 CPU 时间片。
- NI：nice 值（用户可调整，范围 - 20~19），用于动态修正 PRI（PRI = 基础 PRI + NI），NI 越小，PRI 越低，进程优先级越高（如
nice -n -5 程序提升进程优先级）。
1.3 修改进程优先级的命令
1. ⽤top命令更改已存在进程的nice：
2. nice：启动新进程时指定优先级
作用：在启动进程的同时设置其 NI 值（优先级修正值）。
语法：
nice -n [NI值] 命令
参数说明：
NI值范围：-20（最高优先级）~19（最低优先级），默认0。- 普通用户只能设置
0~19（降低优先级），-20~-1需root权限（提高优先级）。
示例：
# 以 NI=5 启动程序（降低优先级）
nice -n 5 ./myprogram# 以 NI=-3 启动程序（提高优先级，需 root）
sudo nice -n -3 ./myprogram
3. renice：调整已运行进程的优先级
作用：修改正在运行的进程的 NI 值。
语法：
renice [新NI值] -p [进程PID]
参数说明：
-p：指定进程的PID（可通过ps或top查看）。- 权限限制同
nice：普通用户只能调高自身进程的NI（降低优先级）。
示例：
# 将 PID=1234 的进程 NI 改为 10（降低优先级）
renice 10 -p 1234# 将 PID=5678 的进程 NI 改为 -5（提高优先级，需 root）
sudo renice -5 -p 5678
1.4 补充概念-竞争、独立、并行、并发
2. 进程切换
2.1 死循环进程如何运行
死循环进程（如while(1);）会持续占用 CPU，但操作系统通过时间片轮转调度限制其独占：
- 内核为每个进程分配固定时间片（如几毫秒），死循环进程运行到时间片结束时，内核会触发时钟中断，强行剥夺其 CPU 使用权。
- 进程被暂时挂起，放入调度队列，等待下一次被调度（重新获得时间片）。
- 因此，死循环进程看似 “一直运行”，实则是在 “运行 - 挂起 - 再运行” 的循环中反复切换，与其他进程共享 CPU。
2.2 聊聊 CPU、寄存器
- CPU：执行指令的核心硬件，通过 “取指 - 译码 - 执行” 循环处理程序指令。
- 寄存器：CPU 内部的高速存储单元，用于临时存放数据和指令，包括：
- 通用寄存器：存放临时数据（如变量值、运算结果）；
- 程序计数器（PC）：记录下一条要执行的指令地址；
- 栈指针（SP）：指向当前栈顶位置；
- 状态寄存器：保存 CPU 状态（如运算结果标志、中断屏蔽位）。
- 进程运行时，其指令和数据需加载到寄存器中被 CPU 处理，寄存器状态是进程运行的 “即时快照”。
2.3 进程切换如何实现
进程切换（上下文切换）是内核将 CPU 从一个进程切换到另一个进程的过程，核心步骤：
保存旧进程上下文：
当进程时间片结束或被中断时，内核将旧进程的寄存器状态（PC、SP、通用寄存器等）保存到其 PCB（进程控制块）中。选择下一个进程：
调度器根据优先级、时间片等策略，从就绪队列中选取下一个要运行的进程。恢复新进程上下文：
从新进程的 PCB 中读取之前保存的寄存器状态，加载到 CPU 寄存器中，包括将 PC 设置为新进程的下一条指令地址。切换完成：
CPU 开始执行新进程的指令，新进程进入运行态，旧进程则根据状态（如就绪、阻塞）进入对应队列。
进程切换最核心的是保存和恢复当前进程的硬件上下文数据，即CPU内寄存器的内容!
3. 进程调度
3.1 O (1) 调度器的核心结构与调度逻辑
心结构与逻辑
runqueue：每个 CPU 对应一个运行队列，管理该 CPU 上的可运行进程。prio_array_t（活跃 / 过期数组）：- 用
bitmap[5]（位图）快速标记 “哪些优先级有进程”，queue[140]按优先级存放进程链表（优先级范围 0 - 139，数值越小优先级越高）。 - 调度时，通过位图 O (1) 时间 找到最高优先级的进程链表，再从链表取进程，实现高效调度。
- 用
- 负载因子：基于 CPU 队列中进程平均数量，平衡多 CPU 间的负载。
O (1) 调度器通过 “位图 + 优先级链表”，能在常数时间内挑选进程，提升调度效率。
3.2 O (1) 调度器的双队列机制
3.2.1 固定优先级调度的饥饿问题
固定优先级且无动态优先级调整的进程调度机制下，若存在两个持续循环的进程：
- 进程 A，优先级为 60（数值越小优先级越高）；
- 进程 B，优先级为 90。
当进程 A 每次用完分配的 CPU 时间片后，会被重新放回对应优先级（60）的就绪队列前端。由于调度器始终优先选取优先级更高的进程执行，进程 A 会持续抢占 CPU 资源。而优先级较低的进程 B，因进程 A 长期占据高优先级调度权且自身持续循环，将长期无法获得 CPU 时间，从而陷入进程饥饿状态，即长时间得不到调度执行的情况。
3.2.2 双队列机制
在 O (1) 调度器中，为解决固定优先级导致的饥饿问题，设计了 “活跃队列（active）” 与 “过期队列（expired）” 的双队列机制：
- 活跃队列（active）：存放当前可调度的进程，调度器从这里选取最高优先级进程执行。
- 过期队列（expired）：当进程用完时间片后，不会直接放回原优先级的活跃队列，而是被移至过期队列。
当活跃队列中的所有进程都耗尽时间片后，调度器会交换活跃队列与过期队列的角色（活跃变过期，过期变活跃），让原本在过期队列中的进程（包括低优先级进程）获得调度机会。
这种设计避免了高优先级进程长期垄断 CPU：即使进程 A（优先级 60）用完时间片后进入过期队列，待队列交换后，进程 B（优先级 90）也能在新的活跃队列中被调度，从机制上缓解了饥饿问题。