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进程优先级

查看优先级

在Linux中，进程是有优先级的，我们可以通过指令ps -la来查看：

其中PRI表示priority优先级，在Linux中，优先级的范围是[60, 99]共40个级别。

其中80是优先级的默认值，PRI的值越小，进程的优先级就越高。

Linux之所以把优先级控制在40个，是为了防止有的进程把自己的优先级调的很高，导致一直占用CPU，其他进程得不到资源。这个问题叫做进程饥饿问题。

调整优先级

那么我们要如何调整一个进程的优先级呢？

在刚刚的图示中，在PRI后面还有一个项目，NI，其代表nice值。进程优先级PRI与NI满足以下公式：

$$PRI=80+NI$$

所以我们想要调整进程的优先级PRI，就是要调整nice值。

现在在test.exe可执行程序中执行以下代码：

#include <stdio.h>    
#include <unistd.h>    
#include <stdbool.h>    
    
int main()    
{    
    printf("I am a process, pid = %d\n", getpid());    
    
    while(true)    
    {}    
    
    return 0;                                                                                               
}    

该进程输出自己的PID后，就处于一个死循环状态。

输出结果：

此时进程一直死循环，我们通过ps -la观察一下：

可以看到，现在多了一个PID=23432的进程，也就是我们执行的test.exe，其PRI值为默认值80，现在我们开始修改该进程的nice：

1. 执行top指令，进入资源管理器：

你会进入如下页面：

2. 按下r键：

r代表你想要改变某个进程的nice，此时白色行上面会出现一个光标，提示你输入想要改变进程的PID：

3. 输入PID：

输入PID后，现在你就可以改变nice值了：

4. 输入修改后的NI值：

此处我把nice值设为10，按下回车。

5. 最后按下q退出管理器

现在我们通过ps -la观察一下：

test.exe的NI变成了10，而PRI变成了80 + NI = 90了。

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Linux 2.6 内核进程调度队列

现在我们再来看看，进程是如何被调度的，以及优先级是如何起作用的。

此处我以Linux 2.6内核的进程调度队列为例。

在CPU中，存在大量的寄存器，比如以下常见的寄存器：

eax/ebx/ecx/edx：用于存储临时数据，比如函数返回值
eds/ecs/fg/gs：段寄存器，区分代码与数据
eip：也就是pc指针，指明当前代码执行到那个位置
浮点数寄存器：浮点数运算
ebp/esp：构建栈区

程序在运行的时候，会存储大量的数据，比如当前执行到哪一行代码，上一个语句运算的结果是什么，函数调用到第几层了，等等。这些数据都存储在CPU的寄存器中。CPU中存储的所有临时数据，叫做硬件上下文。

当一个进程从CPU中离开，会把所有的硬件上下文都拷贝走，存储在PCB中，这个过程叫做保护上下文。

而当一个进程被再次调度的时候，又会把自己的数据写入CPU中，覆盖原始的寄存器中的数据，这个过程叫做恢复上下文。

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那么我们再来看看运行队列是如何调度进程的

Linux的运行队列run_queue视图如下：

我们先看到蓝色区域：

其中nr_active表示当前run_queue总共含有几个进程

queue[140]就是运行队列的主体，我们将其划分为两个区间[0, 99]这段区间暂不讲解，[100, 139]这个区间用于放正在排队的进程的PCB.

这个区间刚好有40个元素，而我们的优先级也刚好有40个，也就是说一个优先级的进程对应一个下标。

其实这个数组本质是一个指针数组，类型是task_struct*，即指向PCB类型的指针，每个指针指向一个链表，链表内存储着所有该优先级的进程的PCB

比如优先级为80的进程，都存储在queue[120]指向的链表中

当运行队列调度进程的时候，从下标100开始，也就是从高优先级开始调度，然后遍历这个链表，把高优先级的链表执行完，再去执行下一个优先级的链表的进程。

bitmap是一个五个元素的int数组，其是一个位图，一个int有32字节，5×32=160，比140大一些。

其用一个位图来表示某个下标对应链表有没有进程，有就是1，没有就是0。此时就可以通过遍历位图，来快速判断一个queue的某个下标位置有没有进程，进而得出要不要去遍历该下标的链表。

那么现在有一个问题，那就是刚刚提到的进程饥饿问题：

假设现在CPU正在执行下标为110的链表的进程，也就是优先级为70的进程，此时刚好又有很多优先级为70的进程进来了，结果CPU一直在执行这个优先级的进程。最后70优先级以后的进程，一直拿不到CPU资源，导致进程饥饿问题。

为了解决该问题，其实run_queue中有两个运行队列，在上图中你会发现，红色区域和蓝色区域的是一模一样的：

这就是两个相同的队列，一个叫做活跃进程队列，一个叫做过期进程队列。

active指针指向的队列就是活跃进程队列，expired的指针指向的队列就是过期进程队列

CPU只执行活跃进程队列中的进程，而新来的进程进入过期队列，此时新来的进程就不会影响正在执行的进程，解决了进程饥饿的问题。

当CPU把活跃进程队列的进程执行完后，此时expired与active指针进行交换，那么活跃进程与过期进程就交换了，此时CPU就去执行新的活跃进程队列。

这样的两个队列轮流执行，一个负责执行，一个负责接受新进程的结构，就解决了进程的饥饿问题

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