一、優先級和進程優先級

1.1什么是優先級

優先級就是獲取某種資源的先后順序，比如打飯時排隊：排隊就是在確認優先級

1.2為什么要有優先級

本質上其實是目標資源相對于需求者來說比較少，如CPU，磁盤，顯示器，鍵盤等相對于進程來說并不充足

1.3優先級與權限有類似的地方，他們的區別是什么

優先級：能使用資源，決定誰先誰后問題

權限：決定能不能使用資源的問題

1.4進程優先級與競爭性的體現

1.4.1進程優先級競爭的資源

優先級的存在是因為資源較少，需要排順序來競爭資源分配，那么對于進程優先級來說競爭的資源是什么呢？

競爭的是CPU資源

1.4.2競爭性的體現

競爭性的原因：資源稀缺

系統中進程數目很多，但是CPU很少，進程之間就有了競爭屬性

為了更高效地完成任務，更合理地競爭資源，便有了進程優先級

二、進程優先級是怎么實現的

2.1用戶名和與之強相關的UID

2.1.1UID是什么

在Linux下，會為每個用戶維護一個對應的UID整形值來代表用戶名所對應地字符串

可以使用ls -n來查看

可以發現在-n選項下，用戶名 my_normal對應的字符串被替換成了整數1000?

2.1.2為什么要有UID

UID標識了用戶ID，代表進程是哪一個用戶啟動的

①Linux下一切皆文件，每個文件都會記錄自己的擁有者，所屬組以及對應的權限

②Linux下所有操作都是進程來完成，進程也屬于文件，自然要記錄“擁有者”，即：“誰（哪個用戶）啟動的我”

總而言之，進程通過記錄“誰啟動的我”來判斷自身是否屬于文件的擁有者/所屬組，以此確定是否有權限進行一些操作，這就是權限控制實現的底層原理，也是UID的意義

2.2task_struct中優先級屬性的實現原理

task_struct中的優先級屬性是通過特定的幾個int類型的變量來表示優先級的（優先級數字越小，代表優先級越高）

查看優先級：

可以通過ps -la指令查看所有自己創建的進程的詳細信息，包括其優先級

其中：PRI和NI對應的就是優先級屬性

PRI：最終優先級

NI：是nice（細微）的簡寫，代表優先級的修正數據

最終優先級=默認PRI（例子中為80）+NI

2.3如何修改進程優先級（注：此功能不是高頻使用的，且不建議修改）

修改進程優先級使用的是top指令的一個功能：

進入top指令->輸入r->輸入PID->輸入nice值

（注：OS禁止頻繁修改優先級，同時UID對應用戶沒有權限的話也不允許修改）

原進程：

top的r功能：

?輸入一個大于等于19的數，修改后：

再輸入一個小于等于-20的數，觸發OS保護機制，不允許連續修改進程優先級：

?切換為root賬戶再修改：

綜上，NI值有范圍限制，在[-20,19]之間 ，共40個數字

2.3補：為什么要把nice值設置在一個可控范圍內？為什么是[-20,19]?

分時OS的進程調度需要遵循盡量公平的原則，如果有一個進程優先級特別高，會破壞這一公平性

2.4進程切換

2.4.1時間片的概念與時間片對于進程有什么影響

①時間片

Linux基于時間片進行輪轉調度，一個進程的時間到了它的時間片，進程切換

②時間片對于進程的影響

時間片到了，這一進程并不一定跑完，因此進程需要保存自己的運行狀態，在任何地方都可以被重新調度

2.4.2結合實際生活中的例子理解輪轉調度

就像在學校轉而去當兵入伍，確定入伍名額需要向學校申請保留學籍

退伍后，需要向學校申請恢復學籍

其中保留學籍的目的是留存歷史的學習痕跡，保留不是目的，而是手段，未來的恢復才是目的

類比起來

①學生就像進程，CPU就像學校，部隊就像OS中，在學校學習的時間就是時間片

②保留學籍就像保存上下文數據

③恢復學籍就像回復上下文數據

2.4.3切換過程和理解

①進程在運行的過程中，會有許多臨時數據在CPU的寄存器中保存，CPU內部有多個寄存器，我們稱之為“一套寄存器”

CPU如何得知當前運行到代碼中哪一行了呢？

是依靠pc指針與ir指針：

磁盤中的代碼和數據加載到內存中，在這段內存空間中，每一句代碼都有自己的地址

此時的eip寄存器（又名pc指針，i是instruction的簡寫，意思為指令；p是point的簡寫，意思是指針）存儲當前正在執行指令的下一條指令的地址

ir寄存器：指令寄存器，保存的是當前從內存加載到CPU中，正在執行的指令

②CPU內部寄存器中的一系列數據，是進程執行時的瞬時狀態信息數據（又名上下文數據）

2.4.3補：寄存器！=寄存器里的上下文數據，還有其他內容

2.4.4進程切換的核心：上下文數據的保存和恢復

進程切換的核心就是進程上下文數據的保存和恢復，一個可執行程序開始運行的過程：

①pc中存main函數的地址，

②之后把執行加載到ir中，更新pc值

③ir將指令交給CPU中一個控制器來執行，執行結束進行下一行代碼的讀取

之后運行進程一的時間片，到時間后換到進程二，以此類推

假如這個過程不保護（不保存上下文數據）：

進程一運行結束，回到調度隊列，CPU中pc指針讀取了進程二的首語句，會把原來進程一的痕跡覆蓋；下一次輪到進程一執行，找不到上次的痕跡，無法繼續運行

則無法完成調度與切換

做保護：

會在CPU外的某個位置將進程一的上下文數據保存起來，再進行pc指針讀取進程二首語句

進程切走：將相關寄存器數據保存起來

進程切回:將歷史保存的寄存器數據恢復到寄存器中

2.4.5進程切換過程中，CPU寄存器被共享使用

每個進程都有自己的上下文數據，這些上下文數據需要加載到CPU寄存器內部來使用，而CPU寄存器只有一套，所以CPU被多個進程共享使用

2.4.6每個進程的上下文數據究竟存儲在哪里

現在電腦對于進程上下文數據的保護體系已經十分完善了，涉及到多個位置

但我們可以理解為上下文數據保存在內存的PCB中

從源碼中可以看出端倪：

在task_struct中有一個tss的定義,而它是這個：

?所以進程的上下文數據保存在任務狀態段（TSS) 的結構體中