【Linux】(1)—进程概念-⑤进程调度

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前言
一、进程调度

前言

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、Linux进程调度概述

1.1 进程调度的基本概念

进程调度是操作系统决定哪个进程在何时使用CPU资源的过程。Linux作为一个多任务操作系统，需要有效地管理多个进程对CPU的共享访问。

调度器的核心任务：

决定哪个进程获得CPU使用权
决定进程占用CPU的时间长度
确保所有进程公平合理地获得CPU资源
保证系统吞吐量和响应时间的平衡

1.2 Linux调度器发展

Linux调度器经历了多个版本的演进：

O(n)调度器：早期版本，遍历所有进程选择最优，复杂度高
O(1)调度器：2.6内核引入，固定时间选择进程
CFS（完全公平调度器）：2.6.23后默认调度器，基于红黑树实现

二、Linux进程优先级

2.1 优先级的基本概念

在Linux中，每个进程都有优先级属性，决定了它获得CPU资源的顺序。优先级分为两类：

普通优先级：100-139（对应nice值-20到19）
实时优先级：0-99（数值越小优先级越高）

关键字段说明：

PRI：进程优先级（Priority）
NI：nice值，用于调整优先级
PRI(new) = PRI(old) + NI

2.2 nice值与优先级调整

nice值影响进程的优先级，取值范围为-20到19：

负nice值：提高优先级（更可能获得CPU）
正nice值：降低优先级（更少获得CPU）

2.3 优先级调整示例代码

复制代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/resource.h>

int main() {
    // 获取当前nice值
    int current = getpriority(PRIO_PROCESS, 0);
    printf("Current nice value: %d\n", current);
    
    // 设置新的nice值
    if (setpriority(PRIO_PROCESS, 0, -5) == -1) {
        perror("setpriority");
        return 1;
    }
    
    printf("New nice value set to -5\n");
    
    // 验证新nice值
    current = getpriority(PRIO_PROCESS, 0);
    printf("Verified nice value: %d\n", current);
    
    return 0;
}

复制代码

三、进程的竞争性与独立性

3.1 进程的竞争性

竞争性指多个进程争夺有限系统资源（特别是CPU资源）的特性：

系统进程数量通常远多于CPU核心数
进程需要竞争CPU时间片来执行
优先级机制确保重要进程优先获得资源

竞争性导致的问题：

资源争用可能导致性能下降
低优先级进程可能"饥饿"（长期得不到资源）

解决方案：

合理的优先级设置
公平的调度算法（如CFS）
进程间的通信与同步机制

3.2 进程的独立性

独立性指进程间相互隔离、互不干扰的特性：

每个进程有独立的地址空间
一个进程崩溃不会影响其他进程
进程间资源默认不共享

独立性的实现机制：

虚拟内存管理
进程隔离技术
权限控制

独立性的好处：

提高系统稳定性
增强安全性
简化程序设计

四、并行与并发

4.1 基本概念

并行（Parallelism）：
- 真正的同时执行
- 需要多核/多CPU支持
- 多个进程/线程在不同CPU核心上同时运行
并发（Concurrency）：
- 逻辑上的同时执行
- 单核CPU通过快速切换实现
- 多个进程/线程交替使用CPU

4.2 Linux中的并行与并发实现

并行的实现：

复制代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main() {
    pid_t pid1 = fork();
    if (pid1 == 0) {
        // 子进程1
        printf("Child 1 running on core ?\n");
        while(1); // 无限循环
    }
    
    pid_t pid2 = fork();
    if (pid2 == 0) {
        // 子进程2
        printf("Child 2 running on core ?\n");
        while(1); // 无限循环
    }
    
    // 父进程等待
    wait(NULL);
    wait(NULL);
    return 0;
}

使用taskset可以绑定进程到特定CPU核心：

并发的实现：

复制代码

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

void* thread_func(void* arg) {
    int id = *(int*)arg;
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("Thread %d: %d\n", id, i);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;
    int id1 = 1, id2 = 2;
    
    pthread_create(&t1, NULL, thread_func, &id1);
    pthread_create(&t2, NULL, thread_func, &id2);
    
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    
    return 0;
}

4.3 并行与并发的对比

特性	并行	并发
执行方式	物理上同时执行	逻辑上同时执行
硬件要求	需要多核/多CPU	单核即可实现
实现机制	多进程/多线程分布在多个核心上	时间片轮转快速切换
性能影响	真正提高吞吐量	提高响应性和资源利用率
典型应用	科学计算、批量处理	Web服务器、GUI应用

五、Linux O(1)调度算法

5.1 O(1)调度器架构

Linux 2.6内核引入了O(1)调度器，其主要特点：

固定时间复杂度：无论进程数量多少，选择下一个进程的时间恒定
双队列结构：活动队列和过期队列
优先级数组：每个优先级一个队列

关键数据结构：

复制代码

struct runqueue {
    struct prio_array *active;    // 活动队列
    struct prio_array *expired;   // 过期队列
    // ...其他字段...
};

struct prio_array {
    unsigned int nr_active;       // 活动进程数
    unsigned long bitmap[5];      // 优先级位图
    struct list_head queue[140];  // 优先级队列
};

5.2 O(1)调度过程

选择下一个进程：
- 从active队列的位图中找到第一个非空队列
- 从该优先级队列中取出第一个进程
时间片处理：
- 进程用完时间片后移到expired队列
- 当active队列为空时，交换active和expired队列
优先级调整：
- 交互式进程优先级自动提升
- CPU密集型进程优先级自动降低

5.3 O(1)调度器的优势

高效：选择进程时间与系统负载无关
公平：确保所有进程都有机会执行
响应快：交互式进程能快速获得CPU
可扩展：适应从嵌入式系统到服务器的各种场景

六、实际应用建议

服务器调优：
- 关键服务设置较高优先级（负nice值）
- 批处理作业设置较低优先级（正nice值）
- 考虑使用taskset绑定CPU核心
多线程编程：
- CPU密集型任务考虑使用多进程实现真正并行
- I/O密集型任务适合使用多线程实现高并发
- 注意避免优先级反转问题
调试工具：
- top/htop：实时查看进程优先级和CPU使用
- perf：分析程序性能瓶颈
- strace：跟踪系统调用
最佳实践：
- 避免频繁修改进程优先级
- 合理设置进程nice值范围（-10到10）
- 考虑使用cgroups进行更精细的资源控制

结语

Linux进程调度是一个复杂而精妙的系统，理解其工作原理对于开发高性能应用程序至关重要。通过本文，我们深入探讨了：

Linux进程优先级机制及nice值的调整方法
进程的竞争性与独立性特性及其实现原理
并行与并发的区别及在Linux中的实现方式
O(1)调度算法的高效设计思想

掌握这些知识，开发者可以更好地优化程序性能，合理管理系统资源，构建更高效稳定的Linux应用。在实际开发中，应当根据应用特点选择合适的并发模型和优先级设置，以达到最佳的性能表现。