前言：

? ? ? ? 上文我們講到了操作系統與Linux中進程的狀態【Linux】進程狀態-CSDN博客

? ? ? ? 本文我們來講進程的優先級、以及進程的切換

進程優先級

什么是優先級？?

? ? ? ? CPU中資源是有限的，而進程的數量一定是遠大于CPU資源的，所以優先級是進程得到CPU資源的先后順序。優先級也是進程的屬性之一，保存在PCB中。

優先級的實現

優先級是進程的屬性之一，保存在PCB中。

? ? ? ? 優先級中PCB中用整型表示，其值越小表示優先級越高，反之優先級越低。

? ? ? ? 優先級是可以被修改的。但考慮到時間片的分時操作系統，以及公平性，優先級不能出現大幅度的修改。

? ? ? ? 如上圖，我在Linux中使用執行查看當前正在運行的進程信息。可以看到紅圈這兩個值：

? ? ? ? PRI：表示進程的優先級，其默認值是80

? ? ? ? NI：表示進程優先級的修正數據，稱為nice值

? ? ? ? 優先級的修改：是通過nice值的修改實現的，既最終的優先級 = PRI + NI

? ? ? ? 如圖，通過renice指令來修改進程的優先級后，我們再次查看進程信息可以發現第一個被修改的進程NI變成了10。最終的優先級變成了90。?說明默認值是不改變的，優先級修改是通過nice值的修改而實現的

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補充：UID

? ? ? ? 如上圖，我們可以看到第三列有一個叫做UID的。那什么是UID呢？

? ? ? ? UID：user id，表示用戶標識符?

? ? ? ? 在linux中任何訪問資源的操作都是進程實現的，進程代表當前的用戶。那系統是如何判斷當前進程訪問的權限的呢？

? ? ? ? 其實就是通過UID實現的：通過進程中的UID與文件的UID相比較，就可以判斷出這個進程的訪問權限是擁有者、所屬組還是other。

優先級的極值

? ? ? ? 如圖可知，優先級的范圍是[60 - 99]，而nice值的范圍是[-20 - 19]

? ? ? ? 優先級范圍設置的并不寬泛，因為優先級范圍設置過大會導致，優先級低的進程長時間不能獲得CPU資源，進而導致：進程饑餓。

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進程關系

競爭性：進程與進程之間是存在競爭關系的。CPU資源有限，為獲得CPU資源，為了高效完成任務，更合理的競爭相關資源，便有了優先級。

獨立性：多進程運行時，各個進程之間是獨享資源的，互不干擾。

并行：多個進程在多個CPU下，同時運行。

并發：多個進程在一個CPU下不停的切換運行，在一段時間內，讓多個進程不斷推進。

進程切換

????????進程的切換討論范圍在長代碼與死循環代碼，因為較短的代碼一瞬間就執行完畢了，沒有切換這一說法

死循環進程

? ? ? ? 死循環進程一段占用CPU執行代碼，會一直占用CPU嗎？

? ? ? ? 并不會，因為在計算機是分時操作系統，在進程執行的過程中存在“時間片”。每個進程都有其適合的“時間片”（本質其實就是計數器），時間片達到時，進程就會從CPU上剝離下來。

? ? ? ? 所以死循環并不會一直占用CPU。

CPU中的寄存器

? ? ? ? CPU中存在各種各樣的寄存器，用于保存當前正在運行進程的各種臨時數據

? ? ? ? 寄存器就是CPU內部的臨時空間

? ? ? ? 寄存器！=寄存器中的數據

如何切換

? ? ? ? A進程占用CPU執行完一個時間片后，要被剝離CPU，進而執行下一個進程。

? ? ? ? 那么當再次執行A進程時，應該從上次執行位置開始繼續向下執行。?這就意味著剝離時，需要當前進程把自己的上下文記錄下來，以便于下一次繼續執行。

? ? ? ? 進程上下文保存到了哪里呢？保存到了進程task_struct的TSS中（TSS：任務狀態段），下一次執行時，之間覆蓋CPU中的寄存器內容即可。

? ? ? ? 對于以及執行過的進程才需要記錄上下文，對于之前還沒有執行過的繼承無需記錄，及其將寄存器內容初始化即可。

Linux中真實的調度算法：O(1)調度算法

? ? ? ? 如上圖，runqueue是一個運行隊列，且一個CPU只有一個運行隊列。

queue[140]

????????我們先來介紹一下queue[140]：它的數據類型是 struct task_struct*

struct task_struct* queue[140]

? ? ? ? queue一共有140個元素，一個元素就是一個進程隊列，其下標映射了優先級。前100個元素代表實時優先級（我們不關心）后40個代表我們上面所講的普通優先級。

? ? ? ? 我們之前講到優先級的范圍是：60~99，那對應在queue中的下標表示就是：100~139（x - 60 +100)。比如優先級為64的進程就會鏈接至下標為104的節點下，多個優先級一樣的進程都會被依次鏈接在同一個進程隊列中。

bitmap

? ? ? ? bitmap[5]用于在queue中快速查找進程。

? ? ? ? bitmap的數據類型是 unsigned int，一個元素有32bit，一個有5個這樣的元素。

? ? ? ? 用bit位記錄進程信息，0表示沒有進程，1表示有進程。從下標0開查詢，一次性查詢32個位置，并從最后一個“1”開始調用進程（既優先級最高的進程位置）。

nr_active

? ? ? ? 記錄進程的個數，當進程個數為0時，不在使用bitmap查詢進程。

過期隊列與活躍隊列

? ? ? ? 在圖中我們可以看到有兩個一模一樣的隊列結構（藍框與紅框），并由兩個指針分別指向：active（活躍）、expired（過期）。

? ? ? ? active指向的隊列叫做活躍隊列，反之另一個叫過期隊列。

? ? ? ? 活躍隊列上的進程是要占用CPU資源，執行代碼的。當活躍隊列上的進程執行完一個時間片后，會放到過期隊列中的相應位置上（優先級對應的位置）。當活躍隊列上的進程全部執行完時，active指針與expired指針交換：過期隊列再次變為活躍隊列，繼續執行之前的進程。

Linux中進程切換的整體過程

? ? ? ? 1.由bitmap在活躍隊列中查詢進程位置（優先級最高進程的位置）? ? ? ?

????????2.依次占用CPU資源，執行相關進程

? ? ? ? 3.時間片耗盡，記錄上下文后從CPU上剝離，并鏈接至過期隊列中

? ? ? ? 4.直到活躍隊列中沒有進程，指針交換，再次循環至第一步

補充：

? ? ? ? 如果新建了一個進程，是插入活躍隊列還是過期隊列？

? ? ? ? ：活躍隊列，新創建的進程應該盡快獲得執行機會，而不是放入已經執行過的過期隊列中等待下一次的調度