Linux操作系统从入门到实战（二十一）进程切换与进程调度

前言
一、进程切换是什么?
- [1. 为什么需要进程切换？](#1. 为什么需要进程切换？)
- [2. 什么是"CPU上下文"？](#2. 什么是“CPU上下文”？)
- [2. 进程切换的完整步骤](#2. 进程切换的完整步骤)
- 第一步：保存当前任务的上下文
- 第二步：加载下一个任务的上下文
二、进程调度
- [1. 为什么要进程调度？](#1. 为什么要进程调度？)
- [2. Linux里有几类"调度员"？](#2. Linux里有几类“调度员”？)
- [3. 进程排队用什么队形？](#3. 进程排队用什么队形？)
- [4. CFS怎么做到"公平"？](#4. CFS怎么做到“公平”？)
- [5. 什么时候会"换进程"？](#5. 什么时候会“换进程”？)
- [6. 调度选进程、换进程，具体怎么操作？](#6. 调度选进程、换进程，具体怎么操作？)
- [7. 多CPU时，活会分给谁？](#7. 多CPU时，活会分给谁？)
- [9. Idle进程是做什么？](#9. Idle进程是做什么？)
- 总结

前言

上一篇博客中，我们介绍了进程优先级；

这一篇，我们将讲解进程切换与进程调度。

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一、进程切换是什么?

1. 为什么需要进程切换？

你有没有想过，电脑明明只有一个CPU（或者几个核心），却能同时运行微信、浏览器、音乐播放器？比如你一边刷网页，一边听歌，还能聊微信------这其实是CPU在"骗"你。

CPU的"本事"是快速在不同任务（进程）之间切换，快到你感觉不到卡顿，误以为它们在同时运行。

而CPU在不同任务之间切换的过程，就叫进程切换（也叫任务切换）。

2. 什么是"CPU上下文"？

切换任务时，有个很重要的问题：

比如你正在用浏览器看视频，突然切到微信发消息，等会儿再切回浏览器，浏览器得知道"刚才看到哪一秒了""视频缓冲到哪里了"，不然就会从头开始。

CPU也一样，它处理一个任务时，会把这个任务的"当前进度"存在一些叫寄存器的硬件里。

寄存器就像CPU的"小笔记本"，记着：
- 下一条要执行的指令存在内存的哪个位置；
- 刚才计算到一半的临时数据（比如加法算到哪一步）；
- 任务的状态（比如是运行中、还是暂停了）。

这些存在寄存器里的"进度信息"，就叫CPU上下文 ------简单说，就是"当前任务在CPU里的所有状态记录"。

2. 进程切换的完整步骤

当CPU决定"先放下当前任务，去处理另一个任务"时，就会执行"上下文切换"，步骤分两步：

第一步：保存当前任务的上下文

CPU会把"小笔记本"（寄存器）里记录的当前任务的所有信息，存到这个任务自己的堆栈里。
就像你暂停看视频时，播放器会自动记录"看到第30秒"，存在自己的缓存里一样。

第二步：加载下一个任务的上下文

然后，CPU会从下一个要运行的任务的"专属储物柜"（堆栈）里，把它上次存的"进度信息"（上下文）取出来，重新写到自己的"小笔记本"（寄存器）里。
就像你打开之前暂停的视频，播放器会从缓存里读"第30秒"，接着播放。

做完这两步，CPU就开始处理新任务了------这整个过程，就是"进程切换"（上下文切换）。

举个例子

假设CPU要在"浏览器（任务A）"和"音乐播放器（任务B）"之间切换：

一开始CPU在处理任务A（浏览器加载网页），寄存器里记着"浏览器下一条指令在内存地址X，临时数据是50"；
到了切换时间，CPU先把寄存器里的"X地址、数据50"存到任务A的堆栈里（保存上下文）；
然后从任务B的堆栈里，取出它上次存的"下一条指令在内存地址Y，临时数据是30"，写到寄存器里（加载上下文）；
接下来CPU就按照寄存器里的信息，开始处理任务B（播放音乐）；
过一会儿又要切回任务A，重复上面的步骤：先存B的上下文，再加载A的上下文，继续处理浏览器。

这样快速切换，我们就能感觉浏览器和音乐播放器在同时运行了。

二、进程调度

我们每天用电脑时，可能同时开着浏览器、音乐播放器、文档编辑器......这些程序背后都是"进程"，而CPU就像一个"超级打工人"，得给这些进程安排干活的顺序------这就是"进程调度"要干的事。

1. 为什么要进程调度？

CPU那么快，直接让所有进程一起跑不行吗？

不行
- CPU同一时间只能给一个进程干活（即使是多核心CPU，每个核心也只能同时处理一个进程）。但我们又需要"多任务"（比如边听歌边写文档），这就需要一个"调度员"来决定：现在该让哪个进程用CPU？用多久？下次轮到谁？

这个"调度员"的目标很简单：

公平：普通进程别抢着用，大家分一分CPU时间；
实时：紧急任务（比如游戏里的按键响应、工业设备的控制）必须马上处理，不能卡；
高效：调度本身别太费时间，别让CPU光忙着安排任务，没空干活。

2. Linux里有几类"调度员"？

问题：所有进程都按一个规则调度吗？

进程有"急"有"缓"，Linux专门设计了3类"调度员"（调度类），按优先级从高到低排：

实时调度类（RT） ：管"急活"

比如工厂里的机器控制、游戏里的画面刷新，这些任务不能等，优先级最高（1-99，数字越大越急）。

它有两种规则：
- SCHED_FIFO（先到先得）：一旦开始跑，不主动停下就一直占着CPU；
- SCHED_RR（时间片轮转）：虽然急，但也不能一直占着，给个时间片（比如10ms），到点就换另一个同优先级的实时进程。
完全公平调度类（CFS） ：管"普通活"

我们日常用的浏览器、文档、音乐播放器，大多是这类。它的目标是"大家尽量公平用CPU"，优先级对应一个叫nice的值（-20到19）：
- nice=-20：最"不谦让"，能多占点CPU（对应调度优先级100）；
- nice=19：最"谦让"，少占点CPU（对应调度优先级139）。
Idle调度类 ：管"没人干活时"

只有当所有进程都"歇着"（比如电脑没开任何程序），它才出来"值班"，让CPU跑点空操作，甚至帮CPU省电，优先级最低。

3. 进程排队用什么队形？

问题：这么多进程，调度员怎么快速找到"下一个该干活的"？

每个CPU都有一个"任务队列"（rq），里面按调度类分了小队伍：
实时队列（rt_rq）：像个"优先级货架"，有99个格子（对应优先级1-99），每个格子里是同优先级的实时进程，排成链表。调度员找实时进程时，直接从最高优先级的格子里抓第一个就行，快得很。
CFS队列（cfs_rq） ：用"红黑树"（一种平衡的二叉树）排的队。
- 树里的进程按"虚拟运行时间（vruntime）"排序，vruntime越小，越靠前（越先被调度）。
  为啥用红黑树？因为它增删改查都快（像查字典找单词一样），能快速找到"最该先跑"的进程。

4. CFS怎么做到"公平"？

问题：普通进程那么多，怎么保证"你用一会儿，我用一会儿"？

CFS的秘诀是"虚拟运行时间（vruntime）"和"权重"：
权重：nice值决定的"抢CPU能力"。nice=-20的进程权重高（1024），nice=19的权重低（128）------权重高的，就该多占点CPU。
vruntime计算 ：vruntime = 实际运行时间 × (1024 / 权重)。

比如：
- 高权重进程（nice=-20）跑1ms，vruntime只加1ms（1×1024/1024=1）；
- 低权重进程（nice=19）跑1ms，vruntime要加8ms（1×1024/128=8）。

这样一来，高权重进程的vruntime长得慢，在红黑树里总排在前面，能更频繁地被调度（多占CPU）；低权重的则相反------看似"不公平"，其实是按"优先级"分配的"比例公平"。

5. 什么时候会"换进程"？

问题：调度员啥时候会喊"停，下一个"？

分两种情况：

主动让贤 ：进程自己说"我先歇会儿"。

比如你用浏览器点了"刷新"，浏览器要等网络数据，就会主动放弃CPU，去"睡觉"（阻塞）。
被动打断：调度员强制换进程。
- 时钟中断（比如每10ms响一次）：检查当前进程是不是"用太久了"（比如RT的RR策略时间片到了，或CFS的vruntime该换了）；
- 高优先级进程被唤醒：比如你按了游戏按键，对应的实时进程醒来，直接把当前的普通进程"挤下去"；
- 新进程诞生：比如你新开了一个程序，可能比当前进程优先级高，直接抢占CPU。

6. 调度选进程、换进程，具体怎么操作？

核心靠一个叫schedule()的"调度函数"，步骤很简单：

挑调度类：先看有没有实时进程（RT），有就优先选；没有就选CFS的普通进程；都没有就选Idle进程。
选具体进程 ：
- RT类：从实时队列里挑最高优先级的第一个；
- CFS类：从红黑树里挑vruntime最小的那个。
换任务：保存当前进程的"工作进度"（寄存器、栈等），加载新进程的"进度"，让新进程开始用CPU。

7. 多CPU时，活会分给谁？

电脑有多个CPU核心，会不会有的忙死、有的闲死？
有可能！所以需要"负载均衡"：
为啥要均衡：比如一个CPU核心跑了10个进程，另一个核心闲着，太浪费了，得把进程挪过去点。
怎么均衡：
1. 定时检查各CPU的"负载"（进程数量+权重）；
2. 把负载高的CPU上的进程，挪到负载低的CPU上（优先挪普通进程，实时进程尽量不动，怕影响响应速度）。

9. Idle进程是做什么？

当所有进程都歇着，CPU在干啥？

这时每个CPU核心会跑一个"Idle进程"------它不是摸鱼，而是：

跑点空操作，让CPU有事干（不然CPU可能"懵圈"）；
触发硬件节能（比如降低CPU频率），帮电脑省电。

总结

对紧急任务（RT）：让它们优先跑，保证不卡顿；
对普通任务（CFS）：用vruntime和红黑树，按优先级公平分配CPU；
多CPU时：均衡负载，不让任何核心闲着；
没事干时：让Idle进程"看场子"，还能省电。

以上就是这篇博客的全部内容，下一篇我们将继续探索Linux的更多精彩内容。

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