Linux——孤儿进程&进程调度&大O(1)调度

孤儿进程

进程优先级

并行和并发的概念

进程的切换

大O(1)调度队列

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孤儿进程

概念：父进程比子进程先退出，而此时的子进程为孤儿进程。当子进程完成任务后，就会变为僵尸进程，就会有内存泄漏的风险，为了避免这种情况的发生，该孤儿进程会被1号(init/systemd)进程收养。

代码如下所示：

cpp 复制代码

#include <stdio.h> 
#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
int main() 
{ 
    pid_t id = fork(); 
    if(id < 0){ 
    perror("fork"); 
    return 1; 
    } 
    else if(id == 0){//child 
    printf("I am child, pid : %d\n", getpid()); 
    sleep(10); 
    }else{//parent 
    printf("I am parent, pid: %d\n", getpid()); 
    sleep(3); 
    exit(0); 
    } 
    return 0; 
}

进程优先级

进程的调度是有优先级之分的，不是随意调度的。输入ps -l指令便可查询更加详细的进程信息。如下所示：

UID：代表执行者的身份。
PID：代表这个进程的代号。
PPID：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号。
PRI：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行。
NI：代表这个进程的 nice 值。它用来调节进程的优先级的。

并行和并发的概念

并发：一个队列对应一个CPU。（第一幅图）

并行：多个调度队列对应着多个CPU。（第二幅图）

如下图所示：

进程的切换

CPU上下文切换：在CPU内部有一套寄存器，这套寄存器存储着当前进程的执行信息(比如，代码执行到哪一步了)当该进程被切换掉的时候，该进程会"打包"自己的执行信息(上下文)，给存储在自己的struct task_struct信息块里面，等再次被调度的执行的时候，就会把自己的上下文放在CPU这套寄存器里面，CPU就会接着上次的遗留继续执行。

如下所示的结构和内核代码：

大O(1)调度队列

一个CPU对应着一个调度队列------struct runqueue，其结构如下所示：

解释：

在这个调度队列(struct runqueue)中，有三个部分最重要，分别是：*active、*expired和arrays[2]。它们三个的类型都为struct prio_array{int nr_active;int bitmap[5];struct list_head}。*active这个指针指向arrays $0$ /arrays $1$ 里面的内容，被*active指向的部分就是运行部分。*expired反之。queue $140$ 里面存放的是双链表，这个数组的下标就是对应的优先级，所以优先级相同的进程被纳入到对应的双链表队列中。所以OS就可以以O(1)的复杂度直接遍历这个数组就OK了，对于新建的进程和已经执行完的进程，会按照优先级被纳入到过期队列中，当运行队列里面的所有的进程都执行完后，只需要交换active和expired指针变量里面的值就行了，就可以继续执行了。

整体的结构如下所示：

cpp 复制代码

struct rq { 
    spinlock_t lock; 
    /* 
    * nr_running and cpu_load should be in the same cacheline because 
    * remote CPUs use both these fields when doing load calculation. 
    */ 
    unsigned long nr_running; 
    unsigned long raw_weighted_load; 
    #ifdef CONFIG_SMP 
    unsigned long cpu_load[3]; 
    #endif 
    unsigned long long nr_switches; 
    /* 
    * This is part of a global counter where only the total sum 
    * over all CPUs matters. A task can increase this counter on 
    * one CPU and if it got migrated afterwards it may decrease 
    * it on another CPU. Always updated under the runqueue lock: 
    */ 
    unsigned long nr_uninterruptible; 
    unsigned long expired_timestamp; 
    unsigned long long timestamp_last_tick; 
    struct task_struct *curr, *idle; 
    struct mm_struct *prev_mm; 
    struct prio_array *active, *expired, arrays[2]; 
    int best_expired_prio; 
    atomic_t nr_iowait; 
    #ifdef CONFIG_SMP 
    struct sched_domain *sd; 
    /* For active balancing */ 
    int active_balance; 
    int push_cpu; 
    struct task_struct *migration_thread; 
    struct list_head migration_queue; 
    #endif 
    #ifdef CONFIG_SCHEDSTATS 
    /* latency stats */ 
    struct sched_info rq_sched_info; 
    /* sys_sched_yield() stats */ 
    unsigned long yld_exp_empty; 
    unsigned long yld_act_empty; 
    unsigned long yld_both_empty; 
    unsigned long yld_cnt; 
    /* schedule() stats */ 
    unsigned long sched_switch; 
    unsigned long sched_cnt; 
    unsigned long sched_goidle; 
    /* try_to_wake_up() stats */ 
    unsigned long ttwu_cnt; 
    unsigned long ttwu_local; 
    #endif 
    struct lock_class_key rq_lock_key; 
}; 


//**************************************************************************************//
    /* 
    * These are the runqueue data structures: 
    */ 
struct prio_array { 
    unsigned int nr_active; 
    DECLARE_BITMAP(bitmap, MAX_PRIO+1); /* include 1 bit for delimiter */ 
    struct list_head queue[MAX_PRIO]; 
};