Linux进程优先级与调度解析-育师

文章目录

前言
优先级
- 概念
- PRI与NI
相关概念
- 竞争性
- 独立性
- 并行
- 并发
进程切换
调度算法
- Linux内核里面的链表结构
- 调度策略
- active指针和expired指针

前言

之前我们简单介绍了Linux中系统的几种状态，这篇文章我们来对进程的优先级、进程调度做简要的介绍。

优先级

概念

之前我们了解的权限解决的是"能不能"的问题，而优先级解决的的是"在能的基础上先后的问题"。
优先级是进程在已经能得到某种资源的前提下，决定进程获得某种资源的先后顺序。
为什么要有优先级呢？这是因为操作系统的资源是有限的，当资源不足时，需要合理分配资源，此时，就需要设置优先级。

PRI与NI

查看进程优先级可使用指令**“ps -l”**，如下所示：

其中有几个重要信息，如下：

UID：代表执行者的身份
PRI：代表这个进场可被执行的优先级，即父进程的代号
NI：代表这个进程的nice值

其中PRI与NI为进程优先级的相关信息，其实它们就是task_struct两个整型变量。
PRI是进程的优先级，也就是进程被CPU执行的先后顺序，PRI越小的进程优先级越高。
NI是nice值，其表示进程可被执行的优先级的修正数值，PRI越小越快被执行，当加入nice
值后，将会使得PRI变为：PRI(new) = PRI(old) + nice，其中PRI(old)默认为80。
修改进程优先级，可以先输入top指令，然后输入r，输入要改变优先级的进程pid，再根据提示输入对应数据，这里输入的为10，如下所示：

所以，更改优先级，其实改的是进程的NI值。nice的取值范围为[-20 , 19]，那么优先级的取值范围为[60 , 99]，当nice值为负值的时候，该程序会将优先级值变小，即优先级会变高，则其越快被执行，设置的nice值必须在规定范围内，若超过规定范围，会取区间端点的值。但是，不能频率过高地更改优先级，否则会被操作系统阻拦。
从上可以看出，进程的优先级是有限的，这是由于Linux系统为分时操作系统，系统会为每个进程分配时间片，同时会以相对公平公正的调度策略，较为均衡地让不同的进程都能在一段时间内，都能得到CPU资源，所以不能过度改变优先级，否则会长时间使某一进程长时间占用CPU，因此要将进程的优先级控制在一定范围内。

进程切换

进程切换其实际含义是任务切换,或者CPU寄存器切换。当多任务内核决定运行另外的任务时,它保存正在运行的进程的临时数据，也就是上下文数据，并开始下一个任务的运行。如下所示：

寄存器是共享的，但是寄存器里面的数据，本质是进程私有的。

调度算法

Linux内核里面的链表结构

在结构体内部，知道对象某一成员的地址后，就可以算出该成员地址相对于起始地址的偏移量，计算方式如下：

offsetof(结构体类型, 成员名) = (结构体类型)&(((结构体类型 *)0)->成员名)

知道偏移量后，进一步可以算出结构体对象的地址：

结构体地址 = (结构体类型*)((char*)成员地址 - offsetof(结构体类型, 成员名))

在Linux系统中，链表结构如下：

进程是通过链表组织起来的，只不过与之前链表不同的是，这里的链表中的下一个指针不指向下一个结构体的首地址，而是指向下一个结构体中的Node成员的首地址，得到结构体内其中一个变量的起始地址，就可以获得结构体的地址以及其它变量的地址。
Linux系统这样设计链表结构，是为了增加对链式管理的扩展性。当要对新的设备进行管理时，可以在结构体内相关设备的属性，使得代码只需要维护一份。
在task_struct中，会维护一个成员，使得该进程可以放在全局的双链表中，也会维护另外一个成员，可以使得该进程在运行队列中。因此，一个进程，既可以属于全局的，也可以属于某一队列的。

调度策略

Linux系统中，每一个CPU都有一个对应的运行队列，如下所示：

其中，该队列有一个成员变量queue[140]，其中0-99对应的位置为实时优先级，这里不做讨论，100-139对应的位置为普通优先级，而优先级的范围为[60, 99]，系统会将进程优先级映射到[100, 139]区间，因此，优先级数字，本质是数组下标，数组中的每一个都会存储一个先进先出的队列，队列中存储着对应优先级的进程task_struct，选择进程时，先根据优先级选择对应的队列，然后再根据先进先出的规则对优先级进行调度。
因此，根据优先级选择进程的时候，本质是一个hash计算的过程，一旦确定队列，剩下的就是根据FIFO规则进行调度。先选择一个不为空的队列，再选择一个最先到达的进程。
bitmap[5]存储的时对应的位图，该成员用来表示某一个队列是否为空。
nr_active用来表示当前队列中进程的个数，若大于0，再查bitmap找到不为空的队列。

active指针和expired指针

若持续有优先级较高的进程到达，低优先级的进程就会得不到调度，这种现象称为饥饿现象。在Linux系统中，为了解决该问题，系统内定义了一个数组 struct prio_array_t array[2];其中，struct prio_array_t结构如下：

structprio_array_t{nr_active,bitmap[5],queue[140]};

数组中两个元素对应不同的哈希表，同时有两个指针active指针和expired指针，分别指向活跃哈希表(也称活跃140队列)和过期哈希表(也称过期140队列)，CPU选择进程时，只会查看活跃队列里的进程，当进程的时间片内后，将进程放入过期队列中，因此，活跃队列中的进程会越来越少，当活跃队列中的进程数量为0时，只需要swap(&active, &expired)，即交换两个指针，按照上面的过程继续调度即可。当新进程来临时，将对应进程放入过期队列。当正在调度进程优先级发生变化时，先按照原来的优先级进行调度，进程时间片结束后，再通过nice值修改优先级，再放入过期队列中即可。通过以上措施，即可解决操作系统中的饥饿问题。