Linux下的进程切换与调度

目录

1.进程的优先级

优先级是什么

Linux下优先级的具体做法

优先级的调整为什么要受限

2.Linux下的进程切换

3.Linux下进程的调度


1.进程的优先级

我们在使用计算机的时候,通常会启动多个程序,这些程序最后都会变成进程,但是我们的硬件设备都只有一套,当多个进程需要使用同一个硬件设备的时候,就必须进行排队,那进程按照什么来排队呢?就是按照优先级来排队的。也就是说,Linux系统是通过优先级的方式来决定进程享受资源的先后顺序的。

优先级是什么

优先级和标识符一样,也是进程的属性,进程的属性包含在task_struct结构体中,所以,进程的优先级其实就是task_struct结构体中的一个变量。

Linux下优先级的具体做法

Linux系统通过 PRI 和 NI 共同决定优先级的大小:

  • PRI 表示进程的优先级,PRI的初始值为80。
  • NI表示进程优先级的修正数据,NI的初始值为0。
  • PRI = PRI(old)+ NI。

我们可以通过 ps -l 命令查看进程的优先级:

  • 注意:PRI的值越小,优先级越高。

如果我们想调整进程的优先级,我们只能通过修改nice值NI来修改,而不能直接修改PRI,修改优先级的步骤如下:

  • 输入top命令并回车
  • 输入r并回车
  • 输入要修改进程的pid并回车
  • 输入nice值并回车

Linux的优先级是有范围的,从60到99,一共40个优先级;NI的取值范围就是[-20, 19]。NI 更像是进程优先级的修正数据。

优先级的调整为什么要受限

如果优先级的调整不加限制,用户就可能会将自己进程的优先级调整的非常高,把别人的进程的优先级调整的非常低,优先级较高的进程优先得到资源,后续还有源源不断的进程产生,常规进程就很难享受到资源,这样一来就会造成一些进程饥饿

2.Linux下的进程切换

当程序加载到内存形成进程之后,会以双链表的形式组织起来,CPU的运行队列的指针会指向其中一个task_struct,CPU就会从运行队列中拿进程去执行,当代计算机系统都有一个时间片,也就是进程占有CPU的最大时间,当时间片结束之后,就需要把当前正在执行的进程从CPU上剥离下来,换另一个进程去占有CPU,但是进程在运行过程中,会产生大量的临时数据,这些临时数据存放在CPU上的寄存器中,CPU内部所有的临时数据,我们称之为进程的上下文 ,剥离当前进程的时候,我们需要对进程的上下文进行保存 ,保存在task_struct结构体中的一个结构体变量中,保存好当前进程的上下文之后,操作系统才能够选择一个新的进程放在CPU上执行,当再次执行到保存好上下文的进程的时候,操作系统会先将该进程的上下文恢复,然后从上一次执行的结束位置开始执行。

  • 进程的切换始终遵守上述过程。

3.Linux下进程的调度

在CPU的运行队列中,有一个struct q array[2],array[0]是活动队列 ,array[1]是过期队列,struct q 类型的结构如下:

  • task_struct queue[140]:表示存放 task_struct 的数组,一个元素就是一个进程队列,相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度,所以,数组下标就是优先级,但是[0,99]号下标我们不用,我们只使用[100,139]下标,一共40个,和进程的优先级对应起来了
  • nr_active:表示总共有多少个运行状态的进程。
  • bitmap[5]:一共140个优先级,一共140个进程队列,为了提高查找非空队列的效率,就可以用5*32个比特位表示队列是否为空,这样,便可以大大提高查找效率。

运行队列中的 *active = &array[0], *expired = &array[1] 。

操作系统每次调度的时候,只会检查活动队列中的内容,先看nr_active是否为0,不为0的话,表示有运行的进程,然后通过bitmap按顺序判断进程在queue中所处的下标,通过下标直接找到当前优先级的所有进程的PCB,然后依次将当前优先级的所有进程运行一定的时间后,继续寻找下一个优先级的所有进程。

所有运行之后的进程会按照优先级以及先后顺序放到过期队列中,此时可能还会有新的进程到来,当活动队列中的进程全部运行结束之后,交换*active和*expired中的内容,这样一来,过期队列中的内容就到活动队列中去了,然后操作系统继续调度活动队列中的内容,这就是Linux操作系统中关于进程调度的O(1)调度算法。

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