前言

? ? ? ? 進程是資源分配的基本單位, 在OS中存在這很多的進程, 那么就必然存在著資源競爭的問題, 操作系統是如何進行資源分配的? 對于多個進程同時運行, 操作系統又是如何調度達到并發呢? 本文將以Linux kernel 2.6為例 , 向大家介紹進程在操作系統中 (OS) 的調度原理;

1. 進程優先級

? ? ? 進程優先級是操作系統中用來確定進程獲取 CPU 資源的先后順序的一種機制;

? ? ? ? ?為什么要排隊? 本質是資源不足; 在一臺電腦中可能只有一個CPU, 但是可能會同時啟動多個進程, 那么進程在分配CPU資源時就需要排隊(等待CPU資源);

? ? ? ? ?對于較為重要的進程, 可以設置高優先級,? 高優先級進程有優先執行權利。配置進程優先權對多任務環境的linux很有用，可以改善系統性能。還可以把進程運行到指定的CPU上，這樣一來，把不重要的進程安排到某個CPU，可以大大改善系統整體性能。

使用ps -l查看系統進程:

其中較為重要的信息:

• UID : 代表執行者的身份
• PID : 代表這個進程的代號
• PPID ：代表這個進程是由哪個進程發展衍生而來的，亦即父進程的代號
• PRI ：代表這個進程可被執行的優先級，其值越小越早被執行
• NI ：代表這個進程的nice值(在進程PCB中)
  ?

Linux中進程優先級范圍:? 60 ~ 99;

Linux中創建進程,默認進程優先級是 80

?在Linux中支持優先級的動態調整,?? 動態調整的規則:

nice值最小是-20, 超過 -20就統一成 -20;

nice值最大為19, 超過19 統一成19;

?優先級(PRI) 的計算 :? PRI (new) = PRI (old) + nice ;

PRI+ nice值是基于默認值80計算的(不會累計)，比如: 先把nice值設為10，那么PRI就會變成90，使用root賬戶將nice值設為-10，PRI就變成了70 ;

用top命令更改已存在進程的nice：

• top
• 進入top后按“r”–>輸入進程PID–>輸入nice值

?注意: OS只允許普通用戶把優先級調低, 不允許把優先級調高, root賬戶無限制;

?為什么設置限制?

OS在調度時，為了讓每一個進程較為均衡得到調度;? 如果nice值可以隨意亂改, 就會存在用戶惡意的將自己的進程優先級調高，導致優先級低的進程長時間得不到CPU資源 ;

需要注意的點是，進程的nice值不是進程的優先級，PR I和 NI 他們不是一個概念，但是進程nice值會影響到進程的優先級變化。可以理解nice值是進程優先級的修正修正數據

?幾個較為重要的概念:

• 競爭性: 系統進程數目眾多，而CPU資源只有少量，甚至1個，所以進程之間是具有競爭屬性的。為了高效完成任務，更合理競爭相關資源，便具有了優先級
• 獨立性:? 多進程運行，需要獨享各種資源，多進程運行期間互不干擾
• 并行:??多個進程在多個CPU下分別，同時進行運行，這稱之為并行
• 并發:?多個進程在一個CPU下采用進程切換的方式，在一段時間之內，讓多個進程都得以推進，稱之為并發

2. 并發

?本文的重點是并發 , 先來介紹一下什么是并發??

? ? ? ? 一個進程在被CPU調度時, 并不是一直占用CPU直至運行結束 ,?? 而是每隔一段時間(這個時間段也叫做時間片)?，它就會被從CPU上被剝離下來 ,? ????????然后會重新放進運行隊列等待被調度，如此反復，直到進程運行完畢; CPU每次調度進程時, 都會到運行隊列中去取;

????????Linux內核支持進程之間CPU資源的搶占，它是一種基于時間片輪轉式搶占式內核，時間片非常的短，輪轉速度非常快(一秒內進程可能被調度了100次)，所以我們很難察覺;

新的問題: 進程在運行時會被從CPU上剝離下來, 那下次調度時, CPU是如何知道進程執行到哪里的呢?

?小方框表示寄存器;

????????在CPU當中有很多各種各樣的寄存器:eax、ebx、ecx、edx、ss、ds、cs、gs、fs、ebp、esp、eip..

?寄存器的功能有很多，比如記錄程序/進程的運行狀態(走到那一步);

比如: cpu內:eip:程序計數器;

????????進程在運行時會使用這些寄存器，進程會產生各種各樣的數據，在寄存器中臨時保存 !

????????如果有多個進程，各個進程在CPU內形成的臨時數據，都是不一樣的每個進程運行到哪里，產生的臨時數據，叫做進程硬件上下文;?

????????在進行輪轉切換時會暫時將這個數據存儲到進程PCB里;

注意:

????????在以前老的Linux中是這樣，現在的不是直接保存到PCB，原因是PCB內容太多，太大，但都與PCB有聯系，這里只是可以理解為放在PCB當中;本質就是將CPU寄存器當中的數據保存到內存當中;

????????CPU寄存器硬件只有一套，進程上下文數據有很多套，比如10個進程有10套上下文數據;

????????寄存器 != 寄存器內容

3. Linux kernel 2.6?內核調度隊列與調度原理

? ? ? ? 有了前邊的基礎知識補充, 接下來我們介紹一下Linux kernel 2.6?內核調度隊列以及基本調度原理;

一個CPU擁有一個runqueue(如果有多個CPU就要考慮進程個數的負載均衡問題)

?下圖就是Linux2.6內核中進程隊列的數據結構:

?優先級:

• ?普通優先級： 100～ 139
• ?實時優先級： 0～ 99（不關心）

100~139就是我們使用指令看到的40個優先級; 從第100號開始(PRI: 60), 優先級依次向下遞減;

?如下圖:

?CUP調度隊列中的進程是如果直接遍歷一遍隊列, 然后依次調度進程, 遍歷的過程也會造成資源的浪費; 所以在設計時加入了nr_active 和?bitmap[5];

????????int整形占4個字節，32個bit位 5 x 32 也就是 160個 bit位 (足夠表示140個優先級) ; 利用位圖映射可以極大的提高效率;?

?????????nr_active判斷隊列是否有進程，bitmap位圖映射快速找到進程位置，這樣下來輪轉一次的效率就會非常高，時間復雜度接近O(1) ;

在操作系統中會維護兩個這樣的隊列 (活動對列 和 過期隊列);?

????????進程在活動隊列并不一定就運行完了，可能是時間片結束了，被調度完之后就會加入到了過期隊列;

同時還會維護兩個指針:

• void *active? ?活動隊列
• void *expired? ?過期隊列

CPU只會執行active指針指向的隊列???????

?????????當進程優先級為99的進程正在被執行時，新插入一些優先級較高的進程，這些進程會被插入
到過期隊列當中;? (如果直接插入到活動隊列，那就會導致優先級較低的隊列一直等待，進而引發進程饑餓問題)

????????這樣一來,?過期隊列的進程不斷增多,?由于不會插入新的進程，所以它的進程數量一定會越來越少;當active指針指向的活動隊列執行完畢，就將兩個指針指向的隊列進行交換即可

????????原本的活動隊列執行空了，再來新的進程就插入到這個隊列，這個隊列會繼續作為過期隊列
如此循環，最終就完成了進程的調度;

???????????????這樣的設計方式不僅提高了效率，并且也解決了進程饑餓問題;

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總結

? ? ? ? ?進程是資源分配的基本單位, 在OS中存在這很多的進程, 那么就必然存在著資源競爭的問題, 于是便有了進程優先級來確認進程調度的先后順序;? 但這也可能會伴隨著進程饑餓的問題,? 而在Linux2.6版本中的進程調度設計很好的解決這些問題; 具有很高的參考學習的價值;? 好了以上便是本文的全部內容, 希望對你有所幫助 , 感謝閱讀 !