进程优先级、进程调度以及Linux2.6内核进程调度队列

一.进程优先级

优先级概念

由于操作系统具有共享性，操作系统的资源是共享的，当多个进程要访问同一个资源，需要通过一定方式来确定访问顺序，优先级就是进程获取资源的先后顺序。

CPU资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权。优先权高的进程有优先执行的权力。配置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CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整体性能。

操作系统中资源是有限的，相对于进程的数量总是少的，那么进程竞争资源是常态，这就引入了优先级来对不同进程进行评判，以此能更有条理地调度进程。

Linux下的进程优先级

优先级是进程的一个属性，那么其也是在进程PCB中，可通过ps -l来进行查看

这里通过循环输入命令方便查看：

while :; do ps -la |head -1 && ps -la | grep myprocess ;sleep 1;echo ---------------------------------------------- ; done

这里有一个程序，运行后不断打印Hello

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>int main()
{while(1){printf("Hello.\n");sleep(1);}return 0;
}

在shell中输入命令查看，得到以下结果

F S   UID     PID    PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S     0  836593  836118  0  80   0 -   694 hrtime pts/0    00:00:00 myprocess

这里重点关注PRI和NI
Linux的进程优先级由PRI和NI组成。

PRI:优先级（Priority），数字越小优先级越高，默认80，范围[60,99]
NI:nice值，表示进程可被执行的优先级的修正数值，默认0，范围[-20,19]

进程的真正优先级=PRI+NI，这里的PRI不能直接进行修改，修改nice值更为妥当，同时nice值被覆盖写入。

可通过top指令修改nice值：先使用top命令打开资源管理器，再按r指令进入进程值修改，最后输入进程PID后最后输入nice值。

修改前
F S   UID     PID    PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S     0  840588  836118  0  80   0 -   694 hrtime pts/0    00:00:00 myprocess
----------------------------------------------
修改后
F S   UID     PID    PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S     0  840588  836118  0  90  10 -   694 hrtime pts/0    00:00:00 myprocess
----------------------------------------------

二.进程调度

调度的概念

CPU调度是对CPU进行分配，即从就绪队列中按照一定的算法（公平、高效的原则）选择一个进程将CPU分配给它运行，以实现进程并发地执行。

一个作业从提交直到完成，往往要经历三级调度
在这里插入图片描述

进程调度（低级调度）
实现了进程的切换和处理器的切换。使进程在就绪、运行、等待三态之间切换。
内存调度（中级调度|平衡负载调度）
主要涉及的资源是内存资源，主要涉及挂起和激活操作。
作业调度（高级调度）
高级调度涉及进程创建、就绪、运行、终止这些状态。

Linux的进程切换与调度

进程切换

CPU会维护一个调度队列runqueque，进程在调度队列中进行排队等待操作系统分配CPU执行。
在这里插入图片描述

同时，CPU中会存在大量寄存器，在进程运行过程中会产生大量临时数据放到CPU寄存器中。
当一个进程的时间片结束，需要进行进程切换，这时就要把寄存器中的数据保存在task_struct中，这些CPU内部的所有临时数据也叫进程硬件上下文。当第二次该进程被调度，就会将曾经保存的硬件上下文进行恢复。

所有的保存是为了最终数据的恢复，所有的恢复都是为了继续上次的运行。

进程调度

Linux进程调度算法是基于时间片的，同时考虑优先级、饥饿和效率
首先下面是调度队列runqueque的数据结构
在这里插入图片描述

其中队列是一个task_struct*数组维护的，为queue[140]，一共140个优先级，每个优先级对应一个队列，对应一个数组元素。0-99为实时优先级，这里不用关心。需要关心的是100-139这40个优先级，刚好对应nice的取值范围。

时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列，nr_active用于记录总共有多少个运行状态的进程。

当要按优先级取出先来的进程时，要在queue[140]检测每个队列是否有进程，显然从头遍历的复杂度太高。这里加入一个数组：int bitmap[5]，int有32位，那么整个数组共有32*5 = 160个比特位，刚好覆盖140，比特位的位置表示对应优先级的队列，比特位的内容表示该队列是否为空。这样就能实现O(1)的时间复杂度进行调度。

以上三个成员构成一个结构体

struct q{int nr_active;int bitmap[5];task_struct *queue[140];
};

runqueue中就有一个struct q* array[2]的数组，同时维护两个指针active和expired分别轮流指向该数组的两个元素。
active永远指向活动队列，expired永远指向过期队列，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，当活动队列上没有任何进程时，只需要Swap(active, expired)交换两指针指向的元素空间，过期队列变成活动队列，活动队列变成过期队列，周而复始。