linux——进程调度（时间片+优先级轮转调度算法O(1)）

❀保持低旋律节奏->个人主页

专栏链接：《C++学习》、《Linux学习》

---

文章目录

• 一、进程优先级前置知识1
• • 1.什么是优先级？
  • 2.为什么存在优先级？
  • 3.优先级的实现
  • • 3.1优先级在内核里面的体现
    • 3.2优先级公式
    • 3.3代码
    • 3.4优先级范围
• 二、进程的性质前置知识2
• • 1.进程四大性质
  • 2.寄存器
• 👍三、内核进行O(1)进程调度------O(1)调度算法
• requeue
• • 1.queue[140]优先级
  • 2.bitmap位图
  • [3.进程饥饿问题------acitve/expired queue 活跃队列/过期队列](#3.进程饥饿问题——acitve/expired queue 活跃队列/过期队列)
  • 4.nr_active
  • [5.*active *expired](#5.*active *expired)
  • nice延迟修正优先级的妙处
  • 整个调度过程

本章着重介绍 内核调度进行的核心算法O(1)调度算法。 再次基础上我们需要先补充一些优先级的前置知识。以此来引出PRI(新) = PRI(旧)+NIC 这个公式。然后重点学习 CPU里面的requeue 的结构和组成。并学习requeue每一部分组成存在的必要性和价值。 以此来彻底弄懂 内核进行调度 ------O(1)调度算法整个工作过程。

一、进程优先级前置知识1

1.什么是优先级？

进程得到某种资源的先后顺序就叫做优先级

• 优先级和权限的区别？
  优先级是进程得到某种资源的先后顺序，权限是进程能不能得到某种资源

2.为什么存在优先级？

这一点我们在后面 如何实现 分布操作系统具有相对的公平性的时候具体讲解

3.优先级的实现

3.1优先级在内核里面的体现

• 优先级在内核里面的体现
  进程优先级，本质上是task_struck里面的整数
• 优先级核心公式

3.2优先级公式

PRI(新) = PRI(旧)+NIC
NIC:nice:进程优先级修正数据

用户无法直接修改PRI 只能通过修改NIC以此来实现修改PRI的目的。

3.3代码

优先级修改方法

• top的使用 着重掌握top！

top -> r ->输入pid -> 输入要修改的NIC

修改前与修改后的对比

[root@VM-0-12-centos ~]# ps -al
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S  1001 20323 15753  0  80   0 -  3307 hrtime pts/0    00:00:00 proc.exe
4 R     0 20343 15653  0  80   0 - 38332 -      pts/1    00:00:00 ps

[root@VM-0-12-centos ~]# ps -al
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S  1001 20323 15753  0  90  10 -  3307 hrtime pts/0    00:00:00 proc.exe
4 R     0 20417 15653  0  80   0 - 38332 -      pts/1    00:00:00 ps

• nice使用代码

nice -n 10 ./test.sh #1. 基础用法：默认优先级启动程序
sudo nice -n -5 python3 server.py #2. 高优先级启动（需 root 权限）
nice ./app.exe #3. 默认优先级（省略 -n 0）

• renice使用方法

renice 8 1234#1. 按 PID 调整单个进程
sudo renice 15 -u username #2. 调高新进程优先级（root 权限）
sudo renice 15 -u username #3. 批量调整同一用户的所有进程

3.4优先级范围

细节：linux是一种分时操作系统（与之相对的是实时操作系统）

分时操作系统尽可能保证公平（多线程）

不能让用户随意设置优先级

因此 NIC的取值范围[-20,19]

PRI[60,99]

一共40个数字

二、进程的性质前置知识2

1.进程四大性质

进程具有四大特性

1.竞争性

2.独立性

3.并行性：进程在多个CPU下分别同时运行称之为并行性（一般大型服务器都存在多个CPU）

4.并发性：多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间内，让多个进程的以推进称之为并发性。

• 小问题：进程不断切换 为什么我们的电脑感受不到卡顿呢？
  因为每个进程切换的周期特别特别短，短到甚至可能到微妙 纳秒的级别。

时间片：每个进程拥有CPU的市场叫做时间片。在task_struct里------int counter

• 小问题：CPU是频繁切换进程的，那假如进程a被切走、下一次再切回到进程a。是如何保证能正常访问到进程a想要的数据呢》

2.寄存器

CPU里面存在着寄存器。这些寄存器用来保存正在执行的临时数据。方便再次切换到原来的进程可以直接访问
这也是为什么 我们return 一个局部变量的时候。即使局部变量出作用域被销毁 也能正常return 它的值。本质return的不是局部变量而是存储再寄存器里的临时数据！

结论：寄存器！=寄存器内部的数据

寄存器内部的数据被叫做 当前进程硬件的上下文

当前进程的硬件上下文保存再任务状态段里面，任务状态段再PCB内部。

👍三、内核进行O(1)进程调度------O(1)调度算法

requeue

每个CPU都拥有一个requeue

1.queue[140]优先级

queue[MAX_PRIO]最大就是140
每一个queue[i] 都是一个队列
后40个是针对于分时操作系统
前100针对于实时操作系统

我们现在着重讲解后40个

40个队列：我们可以把不同的进程放到不同的队列中。一个队列可以拥有多个进程。但是一个队列里的优先级都是一样的。

对相同优先级进程中选择FIFO的做法

2.bitmap位图

标记 "存在 / 不存在"（经典场景：去重、判重）

比如要记录 "1000 万个整数是否出现过"：

不用位图：用数组 / 哈希表，至少占 1000 万 × 4 字节 = 40MB 内存。

用位图：仅需 1000 万 ÷ 8 = 约 1.2MB 内存（1 个 bit 对应 1 个整数的 "是否存在"）。

3.进程饥饿问题------acitve/expired queue 活跃队列/过期队列

我们都知道 进程是按照 优先级来调度的

那么如果队列a的优先级高于 队列b的优先级。那队列b 不久永远不会被调用了吗？

• 活跃队列/过期队列
  再runqueue里面存在2个[140]d的队列
  分别是active queue------活跃队列 和 expired queue------过期队列
  如果一个进程被调度过 那么他就会被放在过期队列。过期队列不会被调用。 与此对应 过期队列里的一个进程进入到活跃队列里面来 （通过swap实现）

4.nr_active

记录活跃进程的个数

5.*active *expired

保证能够从 avtive queue ------> expired queue 持续时间片轮转

nice延迟修正优先级的妙处

假如我们想要修改一个进程a优先级80->90，那么正常情况下 我们需要先修改优先级 然后再把这个进程 从80队列里面抽离出来 然后再放到90队列里面。 这本质上是一个非常浪费时间和空间的行为。

因此我们使用nice 延迟修正。先修改优先级，不进行原队列抽离。 等活跃队列和过期队列进行swap交时进行 两个进程的交换。这样就大大节省了时间效率。

整个调度过程

*acitve ------> avtivequeue ------> 查看nr_avtive 不为0 ------> bitmap[]查数组下标存在 ------> 选择进程 ------> 拿去active queue 头一个