Linux——进程优先级

优先级概念

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，可以大改善系统整体性能。
查看进程优先级用命令ps -l或者ps -al其中PRI就是进程优先级，在Linux中初始值都是80，可以进行人为修改NI值来间接修改优先级。

PRI与NI

NI是nice值的缩写，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(old)+nice，nice的取值范围是-20到19，一共四十个级别。
为什么要有nice值呢？因为需要人为调控优先级的进程是通过nice值的，而为什么nice值要有范围呢？因为Linux操作系统是分时操作系统，优先级要变也必须在可控的范围内变，而且Linux本身的进程优先级也是有范围的，是60到99，也是四十个级别

竞争、独立、并行、并发

• 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
对于并发来说，由于是只有一个CPU，所以任意一个时刻都只有一个进程在运行，而之所以让人们有同时运行的错觉，是因为CPU的执行速度与切换速度很快，而如果进程变多了或者内存资源不足，会使得CPU执行速度与切换进程速度变慢，就会让人们感到卡顿。
而CPU进行切换，在物理硬件上，是认为只有一个CPU的，而在逻辑上是可以认为有多个CPU，只是每个CPU的效率要低一些。

进程切换

CPU内的寄存器只有一份，但是上下文数据可以有多份，分别对应不同的进程，而进程进行切换时，会将寄存器中的上下文数据取走保存到自己的PCB中，目的是为了下次回来继续执行时能够按照之前的逻辑继续向后运行。
由于当前系统都是分时系统，每一个进程都有属于自己的时间片。
时间片：当代计算机都是分时操作系统，没有进程都有它合适的时间片(其实就是一个计数器)。时间片到达，进程就被操作系统从CPU中剥离下来。

Linux调度方式

每个CPU都有一个调度队列（runqueue），在runqueue中的数组queue[140]就是存储优先级的，
• 普通优先级：100～139（我们都是普通的优先级，与nice值的取值范围有关联）
• 实时优先级：0～99（在工业上就是实时操作系统，但一般不管）
实际上是把进程挂在queue数组里面，优先级为多少下标就是多少，那么我们就能够知道queue的类型是struct list_head。
那么我们还需要进行遍历数组，判断某个下标是否有进程吗？这样太慢了。
于是有了bitmap[5]位图，类型是int，大小为5，是因为如果是4的话就只有324=128个bit位，而大小是5就有325=160个bit位，这样就可以一个bit位表示一个queue中的下标。就可以用位图操作来替换遍历数组的操作，可以提高效率
nr_active: 总共有多少个运行状态的进程。
而nr_active与queue以及bitmap[5]都是属于活动队列的，而过期队列与活动队列的结构一模一样，只是时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在活动队列，而新增进程或者时间片结束的进程放在过期队列。
active指针永远指向活动队列
expired指针永远指向过期队列
可是活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期时一直都存在的。在合适的时候，只要能够交换active指针和expired指针的内容，就相当于有具有了一批新的活动进程！
而为什么需要有两个队列呢？是为了防止出现饥饿问题
假设只有一个队列。一个高优先级的交互式进程（如桌面UI）可能会频繁耗尽时间片，但因为它优先级高，又会被很快地重新调度。这样一来，低优先级的后台进程（如编译程序）可能永远得不到CPU时间，导致“饥饿”。
而使用两个队列。高优先级进程在用光时间片后，会被移到过期队列。这样，​活动队列里就只剩下还没用完时间片的进程。调度器会优先保证这些进程运行，直到活动队列完全变空。
Linux的调度算法为O（1）的时间复杂度，步骤如下：

1. 第一步：查找最高优先级（O(1)）​​
   调度器不需要遍历140个队列，它只需要对位图执行一条汇编指令：find-first-bit-set（或类似指令）。
   这条指令会从第0位开始，快速找到第一个被设置为1的位。这个位的编号就是当前系统中存在可运行进程的最高优先级。
   例如，位图显示优先级120和110的位是1，其中110是第一个为1的位（优先级数值越低，优先级越高），那么最高优先级就是110。
   ​这个操作是硬件相关的、固定时间的，与进程数量无关，所以是O(1)。​​
2. ​第二步：取出进程（O(1)）​​
   知道了最高优先级是110，调度器就直接访问优先级数组的第110个元素，这是一个队列。
   它从这个队列的头部取出第一个进程来运行。
   从数组的特定索引取一个元素，这也是O(1)。
3. ​第三步：维护队列​
   该进程被移出队列。如果这个队列因此变空，调度器就会将位图中对应的位从1清为0。
   当该进程用完时间片后，它会被移动到过期数组的对应优先级队列中。如果过期数组中原先该优先级的队列为空，则同时设置过期数组位图的对应位为1。
4. ​第四步：队列切换（O(1)）​​
   当活动数组完全变空（其位图全为0）时，调度器只需要进行一次指针交换。