操作系统僵尸进程、CFS、上下文切换

进程

Linux的进程调度

CFS 完全公平调度算法

权重和nice值

权重：权重越大，分配的时间比例越大，就相当于进程的优先级越高。进程的时间 = C P U 总时间 ∗ 进程的权重 / 就绪队列所有进程权重之和进程的时间 = CPU总时间 * 进程的权重/就绪队列所有进程权重之和进程的时间=CPU总时间∗进程的权重/就绪队列所有进程权重之和
nice值：进程对外的编程接口中使用的是一个nice值 ，大小范围是（-20～19），数值越小优先级越大，意味着权重值越大，nice值和权重之间可以转换的。一个进程每降低一个nice值，就能多获得10% 的CPU时间。1024权重对应nice值为0，被称为NICE_0_LOAD。默认情况下，大多数进程的权重都是NICE_0_LOAD

虚拟时间

虚拟时间vruntime和实际时间（wtime）转换公式如下：

v r u n t i m e = w t i m e ∗ ( N I C E _ 0 _ L O A D / w e i g h t ) vruntime = wtime * (NICE\_0\_LOAD / weight) vruntime=wtime∗(NICE_0_LOAD/weight)

CFS调度主要保证每个进程运行的虚拟时间一致即可。在选择下一个即将运行的进程时，只需要找到虚拟时间最小的进程就行了

在运行队列中用红黑树结构组织进程的调度实体，这里进程虚拟时间正是红黑树的key，这样进程就以进程的虚拟时间被红黑树组织起来了。红黑树的最左子节点，就是虚拟时间最小的进程，随着时间的推移进程会从红黑树的左边跑到右，然后从右边跑到左边，

CFS调度进程

让虚拟时间最小的进程最先运行，一旦进程运行虚拟时间就会增加，最后尽量保证所有进程的虚拟时间相等，谁小了就要多运行，谁大了就要暂停运行。

僵尸进程及守护进程？

守护进程

守护进程就是在后台运⾏，不与任何终端关联的进程，⼀个守护进程的⽗进程是init进程通常情况下守护进程在系统启动时就在运⾏，它们以root⽤⼾运⾏，并能处理⼀些系统级的任务

孤⼉进程

如果⽗进程先退出，⼦进程还没退出，那么⼦进程的⽗进程将变为init进程。（注：任何⼀个进程都必须有⽗进程）。孤⼉进程将被init进程(进程号为1)所收养，并由init进程对它们完成状态收集⼯作。因此孤⼉进程并不会有什么危害

僵⼫进程

⼦进程⽐⽗进程先结束，而⽗进程⼜没有回收⼦进程，释放⼦进程占⽤的资源，此时⼦进程将成为⼀个僵⼫进程。

⼀个进程在调⽤exit命令结束⾃⼰的⽣命的时候，其实它并没有真正的被销毁，而是留下⼀个称为僵⼫进程（Zombie）的数据结构

在Linux进程的状态中，僵⼫进程是⾮常特殊的⼀种，它已经放弃了⼏乎所有内存空间，没有任何可执⾏代码，也不能被调度，仅仅在进程列表中保留⼀个位置，记载该进程的退出状态等信息供其他进程收集。

系统所能使⽤的进程号是有限的，如果⼤量的产⽣僵⼫进程，将因为没有可⽤的进程号而导致系统不能产⽣新的进程。此即为僵⼫进程的危害，应当避免。

⭐️如何避免僵⼫进程？

⽗进程通过wait 和waitpid等函数等待⼦进程结束，但是这会导致⽗进程挂起。
忽略SIGCHLD信号，这常⽤于并发服务器的性能的⼀个技巧

因为并发服务器常常fork很多⼦进程，⼦进程终结之后需要服务器进程去wait清理资源。如果将此信号的处理⽅式设为忽略，可让内核把僵⼫⼦进程转交给init进程去处理，省去了⼤量僵⼫进程占⽤系统资源。
如果⽗进程很忙可以⽤signal 函数为SIGCHLD 注册handler 信号处理函数，在信号处理函数调⽤wait/waitpid等待⼦进程退出。
通过两次调⽤fork 。⽗进程⾸先调⽤fork 创建⼀个⼦进程然后waitpid 等待⼦进程退出，⼦进程再fork ⼀个孙进程后退出。这样⼦进程退出后会被⽗进程等待回收，而对于孙⼦进程其⽗进程已经退出所以孙进程成为⼀个孤⼉进程，孤⼉进程由init 进程接管，孙进程结束后，init会等待回收。

⼦进程结束后为什么要进⼊僵⼫状态?

设置僵⼫进程的⽬的是维护⼦进程的信息，⽗进程可能要取得⼦进程的退出状态等信息。这些信息⾄少包括进程ID ，进程的终⽌状态，以及该进程使⽤的CPU 时间，当⽗进程调⽤wait 或waitpid时就可以得到这些信息。

僵⼫状态是每个⼦进程必经的状态吗？

是的。任何⼀个⼦进程（init除外）在exit（）之后，并⾮⻢上就消失掉，而是留下⼀个称为僵⼫进程（Zombie）的数据结构，等待⽗进程处理。这是每个⼦进程在结束时都要经过的阶段。如果⼦进程在exit（）之后，⽗进程没有来得及处理，这时⽤ps -aux命令就能看到⼦进程的状态是"Z"。如果⽗进程能及时处理，可能⽤ps -aux命令就来不及看到⼦进程的僵⼫状态，但这并不等于⼦进程不经过僵⼫状态。

僵尸进程不能将它看成是一个正常的进程，这个进程已经死亡了，用户区资源已经被释放了，只是还占用着一些内核资源（PCB）。僵尸进程就相当于是一副已经腐烂只剩下骨头的尸体。
僵尸进程的出现是由于这个已死亡的进程的父进程不作为造成的。
消灭僵尸进程的方法是，杀死这个僵尸进程的父进程，这样僵尸进程的资源就被系统回收了。通过kill -9 僵尸进程PID的方式是不能消灭僵尸进程的，这个命令只对活着的进程有效，僵尸进程已经死了，鞭尸是不能解决问题的。

上下文切换？

CPU上下文切换

根据任务的不同，CPU 的上下文切换就可以分为几个不同的场景，也就是进程上下文切换 、线程上下文切换 以及中断上下文切换。

系统调用

系统调用过程中，不会涉及到虚拟内存等进程用户态的资源，也不会切换进程。

进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。
而系统调用过程中一直是同一个进程在运行。

所以，系统调用过程通常称为特权模式切换，而不是上下文切换。

进程上下文切换

进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。

因此，进程的上下文切换就比系统调用 时多了一步：在保存当前进程的内核状态和CPU寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。（与系统调用的区别？）

线程上下文切换

前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。
前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

中断上下文切换

为了快速响应硬件的事件，中断处理会打断进程的正常调度和执行，转而调用中断处理程序，响应设备事件。而在打断其他进程时，就需要将进程当前的状态保存下来，这样在中断结束后，进程仍然可以从原来的状态恢复运行。

中断上下文切换并不涉及到进程的用户态。
所以，即便中断过程打断了一个正处在用户态的进程，也不需要保存和恢复这个进程的虚拟内存、全局变量等用户态资源。
中断上下文，其实只包括内核态中断服务程序执行所必需的状态，包括CPU 寄存器、内核堆栈、硬件中断参数等。
对同一个 CPU 来说，中断处理比进程拥有更高的优先级
进程上下文切换一样，中断上下文切换也需要消耗CPU

参考：

极客时间