Linux - 进程的优先级和如何使用优先级调度进程

理解linux 当中如何做到把一个PCB 放到多个数据结构当中

在Linux 当中，一个进程的 PCB 不会仅仅值存在一个数据结构当中，他既可以在某一个队列当中，又可以在一个多叉树当中。

队列比如 cpu 的运行队列，键盘的阻塞队列等等的双线链表当中。

而多叉树就本篇博客需要阐述的进程优先级了。

如何实现的其实也很简单，就是在一个 PCB 结构体对象当中，不仅仅只有双链表的 prev 前序结点指针和 next 后继结点指针；还有多叉树当中的比如 parent 父亲结点指针，和各个孩子的指针。这时，因为链式的数据结构管理各个进程的 PCB 结构体对象也是通过这个结构体对象的指针来实现管理的。所以，我们才说一个结点就可以插入到一个双向链表当中，又可以插入到一个多叉树当中。

下面，简单实现一个 PCB 结构体的 demo，来理解：

如上所示，通过在 PCB 结构体当中，内嵌一个双链表结点的结构体，来维持这个PCB在某一个双链队列当中的存储位置。

这样，就可以通过一个 PCB 来找到这个 PCB 所在队列的所以的PCB 了，也就相当于是把这个PCB链接到某一个队列当中了。

但是，这样的话有一个问题，就是，我可以找到存在与各个 PCB 对象当中的 link 结构体对象在各个 PCB 当中存储的位置，但是，如果我们想要访问整个 PCB对象的话，需要拿到 PCB 对象的地址（存储 PCB 对象起始位置的 PCB类型的结构体指针）。

所以，结合上述 demo，我们用以下方式来计算出 link 和 link所在PCB对象当中的地址偏移量，然后得到 PCB 对象的起始地址：

(task_struct*)((char*)head - (char*)&(task_struct*)0->link) -> other

上述代码就可以拿到 PCB 的起始地址，然后访问 PCB 当中的其他（other）属性。

怎么做到的呢？我们来一步一步看：

(上述的 head 和 &(task_struct*)0->link 要强转成 char* 类似的，以为此时是以数字的方式来看待的，而不是指针，我们是为了计算出偏移量。但是上述为了图片的宽度没有写上。)画个图来理解：

利用 0 开始的 PCB 结构体指针，计算出 link 距离 PCB 起始位置的偏移量（相对距离）。

像上述是一个PCB 的访问方式，当然，一个队列当中会有很多个，不同种类的 PCB 对象，那么其中的 link 所在位置也是不一样的，但是都可以同种上述的方式来，计算出当前PCB当中 link 相对于 PCB 起始位置的偏移量。

进程的优先级

因为资源是有限的，进程有很多个，所以，注定了进程之间是竞争关系。

操作系统必须要保证各个进程之间必须要良性竞争。所以，制定了优先级，对于各个进程之间，对于资源的访问，谁先谁后，由进程各自的优先级决定。

cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）。

优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可能改善系统性能。
还可以把进程运行到指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以大大改善系统整体性能。

如果因为调度算法不合理，优先级设定算法不合理，就会导致某些进程长时间得不到CPU资源，某些进程的代码长时间得不到推进。造成了该进程的饥饿问题。

这种饥饿问题，在用户体验上看来就是，某个进程卡死了，得不到响应。就像在 windows 当中，可能遇到过其他进程都没事，但是某一个进程卡死了，提示无法响应，此时你会有两个选项：结束进程或者是再等等。

我们可以使用 ps -l 查看当前终端下，用户启动的进程，但是这个命令不能查看单独由其他终端启动的进程。如果想查看的话，可以再多加一个 -a 选项来查看用户启动的全部进程：

UID 的解释：因为计算机只认识数字，所以，区分各个用户也是使用数字来区分的，UID 就是各个用户独有的ID，就像身份证号一样，在这个操作系统当中，一个用户的这一个 ID 是独有的。

PRI也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高。

NI 的解释：因为操作系统当中的调度器，要更具当前操作系统的需求，或者是用户的需求，要给根据算法来修改某一个进程的优先级，但是原来的优先级是调度器计算出来非常合理的优先级，也就是 PRI 是刚开始计算出来最合理的优先级，所以这个 PRI 优先级是要保存的；所以，如果调度器要修改优先级的话，修改的不是 PRI，而是使用 PRI(new)=PRI(old)+nice 。从而使用 PRI（new）作为现在进程所使用的优先级。当此时操作系统和用户没有再需求之后，就会使用原本的 PRI 优先级。

虽然都是按照 PRI(new)=PRI(old)+nice 这个公式来进行修改的，但是 PRI（old）是不变的，默认一直都是 80 。

这样，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行所以，调整进程优先级。

需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。

那么，既然优先级可以被调整，那么是不是就以为这个，我们可以把一个进程的nice 值，调的非常的低，使得这个进程优先级很高，一直被调度？答案是不行的。

Linux不想过多的让用户参与到优先级的调整当中，只能在对应的范围之内膝盖 nice 值。超过范围，只能给范围的极值作为值返回，不能超过极值。

在Linux下，就是调整进程nice值nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

利用 top 修改nice的同时修改进程的 PRI（new）

top 是任务管理器，当我们在 top 窗口当中，按下 r 键，就可以执行 renice 命令：

此时它提示我们输入某个进程的PID，我们就输入我们自己写的死循环进程的PID：

回车之后，就会提示我们，要修改的nice值为多少，我们就可以再上述所说的 nice 的区间当中给值，就算是超出了，也就给出对应分为的极值。比如我们现在给出 100：

回车之后就会修改 nice 值：

因为 nice 最大就是 19，所以，此时就是修改到了 99。

Linux当中 cpu 当中调度不同优先级的做法

在 cpu 当中有一个运行队列，这些队列当中的使用指针的方式排列着处于运行状态的进程的PCB指针。但是，这些进程的优先级有大有小，cpu 是如何调度其中的进程的呢？

其实在这个运行队列当中，会存储两个存储 PCB指针的指针数组，这个两个数组一般的大小是 140 个元素，前 0-99 个元素存储的是其他进程的 task_struct指针，在后面的 [100 - 139 ）这个刚好 40 个元素的指针就是存储的是我们可以修改的 nice 指针的数目。

我们用这 40 个元素做例子：

我们可以修改到的优先级范围就在 [60 , 99) 这个区间当中，这个区间就刚好映射到了 [100, 139 ) 这个指针数组的下标。那么我们就可以根据优先级，映射到这个指针数组下标。类似这样的结构，如下图所示：

利用这种类似于开散列式的哈希表来实现，这种结构非常像哈希桶。

cpu只需要在左边的指针数组当中按照下标来一个调用有这个 task_struct * 指向的单链表来依次调用其中的进程。

如果后续需要添加进程，只需要按照这个进程的优先级，插入到对应的指针数组元素指向的单链表尾插即可。

上述描述的是running 这个指针数组，当运行队列当中只有 running 这个指针数组之时，那么就是按照上述的方式进行操作的。

但是，在LInux 当中还有一个 waiting 指针数组，在上述，我们说过，在后序插入的进程，是直接在 running 维护的对应的单链表当中尾插的。但是现在有了 waiting指针数组，就不在 running 当中插入了，直接在 waiting 指针数组当中插入即可。这个 waiting 指针数组的存储结构和 running 是一样的。

而且，不仅仅有上述两个指针数组，还有两个二级指针，指向这个两个数组。实际上，cpu 不是按照 running数组的首元素地址开始执行程序，而是按照这个指向 running数组的二级指针来执行进程。当 running 当中的进程执行完之后，只需要交换指向 running数组和 waiting数组两个数组的两个二级指针指向即可。就是把两个二级指针指向的内存做交换。