【day12】进程切换与调度：linux系统的幕后操控术

进程优先级

进程优先级的本质：衡量进程得到CPU资源的先后顺序。

资源是相对有限的，特别是CPU资源，一个CPU一次只能跑一个进程，而进程可以有多个，所以需要存在进程优先级来确定进程获取CPU资源的先后顺序。以此保证os能合理地分配资源，确保各个进程之间的良性竞争。

优先级代表能得到资源，只不过是啥时候得到。权限指的是是否能得到某种资源。

优先级是进程的一种属性，在一般os内，进程优先级就是一个整数，值越低，表示优先级越高。

基于时间片的分时操作系统：把计算机的系统资源（尤其是CPU时间）进行时间上的分割，每个时间段称为一个时间片。分时操作系统把时间片轮流分配给进程使用，若某个进程在分配给它的时间片内没有完成其计算，则该进程暂时中断，把时间片让给另一进程使用，等待下一轮时再继续其运行。这样可以保证每个进程都能获得一定的时间片，同时高优先级的进程可能获得更多时间片或更频繁的调度。

每个进程都有他合适的时间片（其实就是一个计算器），时间⽚到达，进程就被操作系统从CPU中剥离下来。

linux就是基于时间片的分时操作系统。

进程属性：UID

linux是多用户操作系统，一个进程由是哪个用户启动的，表现在进程的UID属性上，UID即userId。

用户访问文件需要权限，os怎么知道访问文件的用户，是文件的拥有者，所属组，还是other呢？
linux系统中，访问任何资源，都是进程访问，进程就代表用户。所以用户访问文件，本质上就是进程访问文件，代表用户的进程UID和文件拥有者/所属组/other一对比，os就知道要操作该文件用户的身份了。

进程属性：PRI和NI

PRI是进程的优先级，默认值是80；NI是进程优先级的修正数据，默认为0。

进程真实的优先级=PRI（80）+NI。每次修改进程优先级，都是在PRI的默认值80的基础上再加上新设置的NI值。

通过nice，renice，top命令都可以调整进程优先级，通过一些系统调用接口也能调。
例如，用top命令调整进程优先级：
创建myprocess.c文件：
编译运行myprocess程序：

运行 top 命令，然后按“r”，输入要调整进程的 PID 编号并按回车。
根据提示，重置 NICE 值。例如：Renice PID [具体PID] to value : [新的NICE值]。
按 q 退出 top 模式，然后使用 top -p [PID编号] 只查询某个进程的信息。
其中NI的取值范围是[-20,19]。

进程饥饿

在操作系统中，进程饥饿（Process Starvation） 指某些进程因资源分配策略或调度算法的不公平性，长时间无法获得所需的系统资源（如CPU时间、内存、I/O等），导致其无法正常执行的现象。

NI的取值范围是[-20,19]，所以linux进程的优先级范围是[60,99]，一共40个级别。linux中进程优先级的级别并不是很多，这是为了在进程竞争资源时，保证资源分配的公平性。如果优先级级别过多，就可能会导致优先级低的进程长时间得不到CPU资源，进而导致“进程饥饿”。

竞争/独立/并行/并发

竞争：系统中的资源，相比于进程的数量来说，永远是不够的，所以在进程之间，必然存在竞争资源的情况。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级和权限。

独立：进程=内核数据结构(比如task_struct)+自己对应的代码和数据。每个进程在运行的时候，都认为自己独占系统资源。例如，在计算机中可以同时运行多个程序，如一边挂着QQ，一边挂着微信，另一边用腾讯会议来上课。每个程序运行时可能会产生多个进程，这些进程在客户端是相互独立的，一个进程出现问题（除导致系统崩溃的情况外）不会影响其他进程。这就是进程的独立性。

并行：若干个进程同时在系统中运行，这些进程的执行在时间上是重叠的，比如在一个双CPU的计算机上同时运行两个进程，其中每个CPU上分别运行一个进程。

并发：在一个单核CPU的计算机上同时运行多个进程，一个cpu同一个时间只能处理一个进程，所以CPU处理这些进程的时候，采用进程切换的方式，不断交替执行多个进程，在一段时间内，让多个进程都得以推进，称为并发。进程的运行实际上是一卡一卡的。

进程切换

死循环进程如何运行：

一旦一个进程占有CPU，不会直接把自己的代码跑完(除非代码很短)！每个进程在时间片上跑一段代码就会被os剥离下来，让后面的进程上去跑。所以死循环进程不会卡死系统，因为它不可能一直占有CPU。

CPU选择一个进程执行的时候，会直接访问进程的代码和数据。CPU内有很多寄存器，寄存器是CPU内部的高速存储单元（CPU内部的临时空间），它们能够快速存储和处理数据，提高计算机的性能和运行速度。

一部分寄存器用于保存正在运行的进程的临时数据。
寄存器是CPU内部用来保存数据的空间，寄存器里面的内容是寄存器里保存的数据。空间只有一份，数据由于实际需求是会发生变化的。

进程切换指的是，操作系统把 CPU 上正在运行的进程切换成另一个进程。即把正在CPU上运行的进程从CPU上剥离下去，然后让下一个进程到CPU上执行的过程。

实现进程切换的关键是保存和恢复当前进程的上下文数据，进程的上下文数据指的是进程运行时的临时数据，进程运行时，其上下文数据通常保存在CPU寄存器中。

进程到CPU上运行，要先在CPU上恢复它的上下文数据，进程开始运行，进程从CPU上剥离前，要先保存它的上下文数据，然后剥离。

进程剥离前要保存它的上下文数据，以保证下一次再运行时能恢复，进程被切换离开CPU前，它的上下文数据会被保存到task_struct中，即把寄存器中的运行临时数据拷贝到内存中。

在旧linux内核中，上下文数据保存在task_struct中，但后来随着时代发展，在新linux内核中，把上下文数据独立出来保存了。
旧linux中保存上下文数据：


如果进程是第一次到CPU上运行，不需要恢复上下文数据。在task_struct中设置一个变量做标记位，进程没执行过标记位位0，到CPU上执行过以后，标记位变成1。这样linux就知道了。

进程切换的速度非常快，所以在用户看来，就像多个进程同时运行一样。

进程调度（O(1)调度算法）

不同os采用的调度算法有所不同，linux内核中采用过的经典的调度算法是O(1)调度算法。如下：

调度和切换共同构成调度器。

每个CPU都对应一个运行队列runqueue，
如下是Linux2.6内核中运行队列的数据结构：
在runqueue中，queue指向一个140大小的数组。其中下标[0,99]范围内的空间，是linux为实时优先级设置的，这里不细说。下标[100,139]范围内的空间是linux为分时优先级设置的。

进程的PRI属性[60，99]和queue的[100,139]是对应的。
假设进程PRI是x，则对应在queue中下标是x-60+100。
queue的[100,139]每个下标空间中保存的都是task_struct*，优先级相同的进程都会被链入到queue中对应下标空间中。queue中一个下标空间中的进程用队列组织，同时按照先进先出FIFO的方式被调度。
所以，queue数组的本质就是一个开散列的哈希表。

调度器按照进程优先级调度进程，意味着调度器要从queue[100]开始遍历queue中的每个task_struct*。

调度器如何在queue中快速的挑选一个进程？
bitmap[5]的类型是unsigned int，共160(32*5=160)个比特位，这160个比特位中的前140bit和queue的140个位置是对应的，(从左到右)第一个比特位对应queue[0]。比特位的内容是0/1，映射到queue中，代表对应的位置里是否存在进程。

这样一来，把调度器遍历queue转变成查找bitmap[5]，时间复杂度从O(n)变成O(1)。

runqueue中nr_active表示的是整个queue中进程的总数量，所以调度器在选择进程的时候，先访问nr_active（>0），再查bitmap[5]，再查queue，从而获得进程，进行切换。

当进程在CPU上执行一个时间片后，又被os从CPU上剥离下来了，此时，如果把这个剥离下来的进程继续放到之前的queue[140]中，根据上述获得进程的方法，和它优先级相同的进程被调度后，不久之后这个进程又会被调度，陷入循坏，而优先级在它后面的进程会发生进程饥饿。

所以，linux在runqueue中挑进程时，永远只从active指向的对象中挑，进程被从CPU上剥离下来以后，被放入 expired指向的对象中。在整个调度期间，active中的进程会越来越少，expired中的进程会越来越多，active中的进程全部被调度完以后（queue[140]中的进程也被调度完后），swap(&active,&expired)，交换active和expired这两个指针类型变量中的内容，
然后重复调度。
当有新进程来时，默认被放到expired指向的对象中，即进程的就绪状态。有的os支持内核优先级抢占，会把新进程放到active指向的对象中。

以上就是O(1)调度算法。

如果一台计算机是多CPU，进程调度的时候，会根据负载算法把进程分给合适的CPU，即系统内多CPU并行运行时，保证CPU的负载均衡。