linux进程概念——优先级——优先值、调度算法、进程性质_linux 进程调度优先级

        前言：本篇内容主要讲解linux下进程的优先级。 优先级的内容相对较少， 最重要的内容就是cpu的调度方法。 内容相对容易理解。 

        ps：本节内容适合了解冯诺依曼和操作系统的管理方式以及进程PCB的友友们进程观看

进程的优先级是什么

        进程的优先级与进程的权限之间有什么区别——进程的权限指的是能不能被访问。 而进程的优先级指的是进程被访问的次序问题。

为什么要有进程的优先级

        因为cpu的空间归根结底还是寄存器， 而寄存器很小， 就注定了cpu的资源是有限的。 而进程的个数是多个的， 这就势必会导致进程之间的竞争关系！——之前提到了进程之间的独立性， 这次是竞争性， 关于进程之间的性质， 后续将会进行讲解。

        操作系统为了保证进程之间的良性竞争， 他就会确认进程之间的优先级。如果我们的进程长时间得不到cpu资源， 该进程的代码长时间得不到推进， 就会出现饥饿问题。——饥饿问题是什么？ 比如我们运行一qq的时候， qq忽然没有相应了， 最后弹出一个弹窗，上面写着强行停止或者等待。这个时候， 其实就是qq长时间没有被执行， qq出现了的饥饿，这就是饥饿问题。 

怎样理解优先级

        优先级的查看就是ps al

        上面的PRI是进程的优先级， NI是nice值。PRI优先值越小， 优先级越高。PRI优先值越大， 优先级越小。

        下面是我们定义的一个程序：

        现在运行这个程序， 看一下进程的优先级：

        这个进程的优先值是20， nice值是0——这里的nice值是用来调整优先值的， nice值是0， 也就是说进程的优先值经过调整nice后是20。 如果这里的nice值是1，PRI是20，  那么就是说进程的优先值经过调整1后是20， 也就是说原本是19. ——而对于操作系统来说， 操作系统不可能让进程无限的调整优先值， 否则进程之间的运动顺序就会非常乱。 所以， 一般进程的nice值都有一个范围， 这个范围是[-20, 19]. 也就是说， 对于这个程序的优先值来说， 它的最大范围就是[0, 39]。

        现在看一下UID， UID是这个程序的拥有者的编号。 像上图的UID是1000， 就说明我们当前用户的编号也就是UID是1000. 

        而我们如何查看UID？ 就是使用ls -n, 其中-n选项就是将文件夹的拥有者等换成对应的编号。

操作系统如何根据优先级展开调度

        首先， 对于cpu来说， cpu有一个runqueue， 我们知道， 进程都会链接到runqueue里面， 而runqueue是一个双链表。 那么对于cpu来说，是如何确认优先级呢？

        首先， 我们可以假设cpu里面的一个runqueue结构体， 里面的XXX指向即确认优先级即将执行的队列， YYY指向等待区（这个等待区是等待XXX全部执行完然后替换XXX， 具体接下来会讲到， 这个三言两语不好说清）的队列：

在上面两个指针数组里面， 0~99的内容是不用的，留给其他进程使用。 而100~139是正好40个元素， 这40个元素分别指向了一个对应的优先值。——我们知道， 进程的优先值的假如是80， 那么经过nice变换后， 变换的范围就是[60,, 99]， 进程的优先级假如是60， 那么经过nice变换后， 变换的范围就是[40, 79]。 也就是说， 这些进程的优先值变化范围都是40， 正好对应了数组指针的40个元素。 ——在底层这些指针数组其实就是维护了一个个对应优先值的进程PCB， 如下图：

        上面进程的优先级的本质其实就是开散列哈希。 对于同一个优先级的进程先取离头部近的进程。 而之所以优先值越低， 进程的优先级越高的原因就是优先值对应指针数组的下标。 而下标越低， 地址越低， cpu越先取到。

        而运行队列里面维护者两个开散列哈希， 假设分别是XXX， YYY， 并且这两个开散列哈希都有一个指向他们的二级指针维护， 就比如下图：

        二级指针X用来维护XXX， 二级指针Y用来维护YYY数组。 而之所以要有两个指针数组， 是因为对于操作系统来说， 他要执行程序， 就必须先找到X， 然后再找到XXX， 进而找到指向的PCB， 然后执行队列里面进程。 之后再来新的进程的时候， 就放到等待队列里面。 等到XXX指向的数组的进程运行完毕之后， 就交换两个指针的内容。 也就是Swap(&X, &Y)。

        其中的调用细节就是使用了位图：bitmap映射XXX， YYY两个数组里面的所有元素。 只要这个元素有元素， 就将位图对应的比特位映射1， 否则映射0——这就是linux内核2.6版本的O(1)调度算法！

        所以， 我们知道， 运行队列的调度本质就是将进程的PCB按照优先级打散到XXX或者YYY的不同位置， 而位置的不同， 就意味着调度顺序的不同， 所以， 对于cpu来说， 就能使用调度算法根据进程的优先级调度这些进程了！

进程的各种性质

        竞争性：现在我们来看一下进程的竞争性， 为什么说队列具有竞争性，因为对于整个冯诺依曼来说， 内存里面的进程是非常的多的。而cpu只有一个， 而像那些底层硬件， 通常也只有一个或者几个。这些硬件的资源都是非常稀缺的， 那么就势必造成进程在硬件的等待队列里的时候一定要确认优先级。而确认优先级的本质就是在竞争。——这就是进程的竞争性。 

        独立性，进程在设计的时候， 就是按照进程之间互不影响进行设计的， 也就是说， 一个进程崩溃了，睡眠了， 运行了等等不会影响其他进程。 就比如我们现实生活中使用qq， qq崩溃了并不影响我们微信的运行。

        并行：并行是两个或者多个进程同时运行， 这个概念存在于cpu存在多个。 如果cpu有两个或者两个以上，那么每个cpu都有一个运行队列， 这些运行队列都会确认优先级， 然后根据O(1)的调度算法调度进程运行， 这就是并行。

        并发：对于并发来说， 并发是存在于一个cpu中， cpu对于多个进程根据时间片的规定按照运行队列确认优先级， 一次进行调度。 让不同的进程同时推进的过程， 这个过程就叫做并发——之所以会这样是因为对于cpu来说， 它的切换速度太快了， 纳秒级别， 我们人是感觉不到的。进程切换 + 时间片——》基于进程切换， 基于时间片轮转的调度算法。那么， 现在有一个问题， 对于时间片轮换调度来说， 如果一个进程执行完了那么它会被继续放到等待队列里面， 那么这就势必会造成这个进程又排到了那些没有被执行过的， 但是优先级很低的进程前面。 所以，为了防止出现饥饿问题，当一个进程时间到了后， 他不会放到调度队列里面——也就是上面的XXX， 而是放到等待队列里面——也就是YYY， 当XXX运行完了， YYY就变成调度队列， 对YYY里面的进程进程调度。 ：