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博主ID：代码小豪

进程优先级

进程的优先级决定了进程获得CPU资源分配的顺序，在进程（0）这篇文章中博主就讲过并发和并行两个概念。即对于人来说，计算机运行的进程时同时运行的，而对于cpu来说，在一个时间片内，只能处理一个进程。因此，为了能让cpu释放出最大的资源（让更重要的进程被运行，比如操作系统），操作系统会根据进程的优先级，来决定优先级高的进程优先被调度。

进程优先级的本质，是对于cpu资源的竞争。

使用ps -al指令，可以查看当前用户启动的进程的属性，其中pri决定了该进程的优先级。

比如在上例中，bash进程的pri为80，ps的pri也是80，pri值一致的进程，优先级一致，而pri值越低，该进程则拥有更高的优先级。我们可以看看系统进程的优先级，输入top指令，可以打开linux系统的任务管理器。

可以看到，系统进程的pri值远低于一般的进程，因此在cpu分配资源时，会倾向于系统进程，这是因为系统进程需要完成管理环境的任务，没有好的任务环境，那么其他进程运行肯定也会收到影响，因此系统进程的优先级需要高于一般的用户进程。

我们可以修改进程的优先级，首先我们随便写一个常驻进程的代码。

接着，我们编译该代码，生成二进制文件test。尝试运行。接着打开另外一个窗口，输入top进入任务管理器，接着输入r，此时top会进入renice模式，我们输入test进程对应的pid，可以修改test的优先级。


要注意一下pri的修改规则，首先我们要知道

pri = pri(默认)+ni

这个ni值是pri的修正值，而pri(默认)的值，是ni值为0的时候，pri的值。ni的全称是nice，即pri值的修正值的意思，ni的值只会在[-20,19]的区间里面取，超过则按照最大可允许的值计算。

比如当前的进程的pri值为80，ni值为0，那么该进程的pri(默认)的值为80，而renice操作，是让我们修改ni的值，比如我们让ni的值变成30，由于ni值只能取[-20,19],因此该ni的值只会是19，此时该进程的pri=80+19=99.

由于pri值越高，优先级越低，因此将ni值设入正值的操作，实际上是降低了该进程的优先级。

此时，我们再回到top当中，此时将ni值设为-30，由于ni值的区间是[-20,19],因此实际ni值为-20，此时pri=80-20=60。要注意pri值的计算方式是pri(默认)+ni。而不是pri(当前)+ni。因此虽然test进程的pri(当前)是99，但是将ni值设为-20之后，test的pri值会变成60。

要注意，普通用户多次修改用户优先级可能会被权限限制，此时可以用sudo指令打开top(sudo top)，或者用root账号来执行该操作。

进程的切换

这里给大家补充一下进程的一些概念：

• 竞争性：进程多于cpu个数，一个cpu要处理多个进程，因此，进程是需要竞争cpu资源的，在这个情况下，进程的优先级就是决定了哪个进程会优先使用cpu的资源。
• 独立性：进程之间是独立的，数据并不共享。
• 并发：cpu在一个时间片内只能处理一个进程，时间片到了，就要切换下一个进程
• 并行：cpu在一段时间内会切换多个进程处理，给用户造成多个进程一起运行的现象

进程的切换操作则是基于上述的概念。

现在我们都知道，在一个cpu处理一个进程的时间片到了之后，就会切换下一个进程来处理，但是一个时间片未必就能将进程执行完，比如我们打开qq，这个qq可能会在后台挂上一整天，因此一个短短的时间片肯定是不能将qq的进程执行完的，此时cpu会切换到下一个进程来处理。

那么问题来了，此时qq这个进程可能被处理到了某行代码当中，然后切换到了下一个进程。那么当qq被切换回来时，cpu又怎么知道上一次处理qq这个进程时，执行到了哪行代码中呢？

cpu中存在多个寄存器，这些寄存器负责存储程序产生的临时数据，以供指令进行数据方面的运算。这里博主不多介绍寄存器以及寄存器的相关作用，而是只讲重点的两个寄存器，分别是pc寄存器（指令计数器）和ir寄存器（指令寄存器）

• pc寄存器：用来存放下一条指令的地址。（由于cpu要处理连续的指令，因此需要pc寄存器去记录下一条指令的地址）
• ir寄存器：用来存放当前正在执行的指令。（是指令，而非地址）

这两寄存器与进程的关系如下图：

假如此时进程1的时间片到了，执行进程2，那么ir寄存器和pc寄存器的数据就会被进程2的相关数据覆盖。

那么当进程2结束后，此时切换回进程1.

此时，尴尬的事情发生了，pc寄存器不知道刚刚进程1的指令执行到哪了，那么cpu该怎么处理进程1呢？难道要让进程1从头开始吗？那么当进程2切换回来时，也要将进程2从头开始吗？我们可以设想这么一个计算机，如果使用该计算机时，听音乐只能听前奏，看电影只能看片头，打游戏一直看加载，那么它肯定没法让用户有个好的体验。

所以linux采取将寄存器内的数据，保存在内存当中的策略。当一个进程切出时，将该进程的寄存器数据保存下来，然后当该进程被切回时，将该进程的寄存器数据读取。这样下来，可以确保每个进程，都能按照上一次被处理时的进度，继续处理下去。这些寄存器中的数据，就是该进程的上下文数据。

那么进程的上下文数据保存在哪呢？我们先来想想，内存当中谁与进程的关系最密切呢？那当然是负责记录进程信息的task_struct了。我们在早期的linux源码中可以看到。

从上可以看到，一个进程的上下文数据，是保存在该进程对应的task_struct对象中的tss对象当中！当一个进程被切出时，tss会记录下当前寄存器中的数据（如上图），然后当这个程序被切回时，读取task_struct中的tss数据，就能恢复之前运行时候的状态了，也就是能按照上次运行的结果，继续运行。

所以task_struct不仅要记录进程的状态，也要记录进程的上下文数据才行啊。

linux的调度算法

其实这个调度算法对于我们使用linux的用户来说，指导意义并不大，但是博主既然谈到了优先级，如果不讲调度算法的话，大家可能体会不到优先级到底有什么用。

如果对操作系统这门课学的比较好的人，可能就会说，调度算法不就是FIFO算法嘛，简单。但是这个FIFO算法其实是老一点的系统才会使用的调度算法了，因为linux系统允许我们更改进程的pri值，对应的也就是说如果采用fifo的调度算法，如果一个进程的优先级被改变，就要花O（N）的时间复杂度，将该进程挪到对应的位置，这显然很慢。

linux的调度算法用了一个哈希桶的结构。这个哈希桶有140个映射位置，前100禁止用户使用，因为这些位置的进程，只能由系统决定怎么用（当然如果你改了linux源码也不是不行）。而后40个映射位置，即[100,140)。

前面将优先级的时候，博主不是提到了嘛，一个用户的进程，其默认pri值等于80，ni的修正区间为[-20,19],因此，一个由用户启动的进程，其修正后的pri值的区间也就是[60,99]。

linux的调度算法为：进程的位置=修正后的pri值-60+100。

比如我们现在有两个pri值为61的进程，一个80的进程，和一个99的进程，那么根据调度算法，它们的位置分别为：101,101,120,139.那么这四个进程的运行队列如下：

此时，每次都调用桶中的顺序最靠前的进程，不就是pri值越低，越先调用，优先级越高；pri值越高，越后调用，优先级越低。

但是此时一个问题就诞生了，pri值61的进程被优先处理，但是一个时间片内未必就能将这个进程处理完毕，特别是该进程是常驻进程的情况下，此时时间片到了，系统就会调度下一个进程，即另外一个pri值也是61的进程，而未处理完毕的进程又会被挂进桶中。

有没有发现这种调度算法的问题？即优先级高的两个进程会被轮流调度，而此时进程c和进程d相当于一直没有运行。

这里博主说一个概念，我们平时的家用pc，其操作系统都是分时操作系统，即所有处于运行状态的进程，都应该被公平的调度。而所谓的优先级，也只是决定了优先级高的进程被优先调度，而非一直调度，也就是说，优先级只是决定了一轮调度的顺序，不能决定一轮调度可以比别的进程多调度几次。

这就好比，一个老师在课后让学校来到他的办公室问问题，由于有问题的同学太多，所以老师决定，按照座号的顺序，让学生进入办公室提问题，当学生的问题解决后，那么就要让下一个学生进入办公室，即使该学生还有其他问题没解决，也要排队等到其他学生的问题解决，进入下一轮排列时，才能继续提出问题，而不是让座号靠前的同学一直提问。

所以linux的运行队列不是一个，而是两个，一个称之为active queue，即活跃队列，另一个称为expired queue，即过期队列，其中，active queue中的进程都是这一轮中没有调度过的进程，expired queue中的进程，都是这一轮被调度过的进程。cpu只会调用active queue中的进程，当该进程调度结束后，就会被挂在expired queue中。

调度的优先级，以及进程在队列中位置，与前面所述的规则一致。

以此类推，这样无论进程的优先级高低，都能在一轮调度中，被公平的调度，如果进程在调度过程中运行结束，此时该进程处于结束状态，而非运行状态，所以不会被挂入expired queue当中，而是被操作系统进行进程结束时的处理。

当active queue中的所有进程都被调度结束时，说明该轮调度中的所有进程都被公平的调度了一次，下一轮要被调度的进程则全都处于expired queue中，而且优先级不变（即在active queue中的进程如果是pri 61，在expired queue中的位置也是pri 61，进程的优先级不变）。此时操作系统会将expired queue变成active queue，而active queue则会变成expired queue。cpu进行下一轮的调度