Linux 进程优先级

什么是进程的优先级

优先级：对资源的访问顺序！注意优先级与权限的区别，优先级决定的是访问资源的顺序，这意味着无论是谁都可以访问到资源；但是如果你没有权限，你是不能访问资源的！
这个应该比较好理解，我们可以通过生活中的例子来理解：

• 食堂排队打饭，排队的过程不就是确定优先级的过程嘛！虽然吃到饭的顺序因优先级有区别，但是所有的同学都可以吃到饭嘛！
• 小时候，班主任可能会根据同学成绩的高低来决定位置选择的顺序！虽然位置选择的顺序因为优先级有差异，但是每个同学都能得到自己的位置！

为什么要有进程的优先级

因为 CPU 资源是有限的，而进程数量远大于 CPU 数量，这就注定了进程之间是竞争关系。
想象一下，食堂中的同学们也是竞争关系，食堂打饭如果不排队，那些女生和比较弱小的男生可能就吃不到饭了！
同理，操作系统必须保证所有进程进行良性竞争，因此，就必须确定进程之间的优先级！
如果一个进程长时间得不到 CPU 资源，该进程代码长时间得不到推进，这就是进程的饥饿问题！

查看进程优先级

ps -l # 显示当前终端下用户启动的进程
ps -al # 显示当前用户启动的所有进程

• UID：linux 管理用户也是用数字来管理的，并不是通过用户名来管理的！
  
  我们可以通过一个命令来查看用户名对应的 UID，如上图。

  id 用户名
  

  我们可以看到 ls -al 与 ls -aln 的差别就是将文件的所属用户和所属用户组分别变成了 uid 和 groups 也就是数字版本！

• PRI 与 NI：PRI 表示的就是进程的优先级。NI：是 niceness 的缩写，修改进程的优先级就是修改这个 niceness 值！其中，PRI 的值越低表示进程的优先级越高！
  修改进程优先级有一个公式：
  $$PRI(new)=PRI(old)+NI$$

修改进程优先级

top

top 命令不仅可以用来查看进程，也可以用来修改进程的 nice 值！
步骤：
1. 输入 top，然后回车。
2. 输入 r。
3. 输入进程的 pid，然后回车。
4. 输入 nice 值，回车。

上面的四部之后就完成修改进程的优先级了！注意：top 命令只有管理员身份才能修改进程优先级。

我通过 top 命令将 NI 修改成了：-10。于是进程的优先级 PRI 就变成了：$80+(-10)=70$。

既然我能够修改优先级了，我是不是就可以将我自己写的进程的优先级改的很高很高，使得我的进程几乎一直在被调度？
事实上，Linux 不想过多的让用户参与进程优先级的调整，在我们手动修改进程的优先级时，NI 是有取值范围的：
$$NI\in [-20,19]$$
这就意味着，PRI 也是有范围的：
$$PRI\in [60,99]$$
当我们修改 NI 值超过他的范围时就会按照他的上限或者下限取值！
注意：当我们第二次修改进程的优先级时，刚才讲到的公式中的 PRI(old) 依旧还是 80！事实上这个公式可以这么写：
$$PRI(new)=80+NI$$

nice 与 renice 这两个命令也可以修改进程的优先级，因为修改进程的优先级本身就不是特别好，这里就不再讲解了！您可以自行百度！

操系统如何根据进程的优先级展开调度

位图，想必现在你已经十分熟悉了吧！如你需要复习复习，请点击➡️C++实现位图

我们知道，处于 R 状态的进程都待在运行队列中！Linux 内核 2.6 版本中的运行队列维护了以下字段（当然内核源码可能与这里讲的有差距，但都是差不多一个意思）：

strcut run_queue
{
   
	bitmap isEmpty; //这是一个位图结构体 bitmap 定义的变量
	task_struct** run; //指向运行队列的指针
	task_struct** wait; //指向运行队列的镜像队列的指针
	task_struct* running[140]; //运行队列
	task_stuct* waiting[140]; //运行队列的镜像队列
};

• running 是一个指针数组，其中的每一个元素都指向同一个进程优先级链接而成的进程队列的头结点！那么为啥数组的大小是 140 呢？其中 [0 , 99] 是给写特殊进程使用的，这里我们用不到哈！[100, 139] 之间恰好有 40 个数字，正好对应 [60, 99] 这 40 个优先级！
  
  running 数组大概就是上图的样子！

• run：这是一个二级指针，一开始的时候，run 指针指向的就是 running 数组，CPU 将通过 run 指针找到 running 数组，从中选择优先级最高的进程执行。例如：当 PRI = 60 的进程执行一次之后，就会执行 running 数组中下标为 101 的进程队列中的进程！依次类推！

• waiting 也是一个指针数组，他的结构和 running 数组完全一样，当 running 数组中一个进程的时间片消耗完毕，并且这个进程还处于 R 状态，就会将这个进程放入 waiting 数组中相应的位置！
  比如：running 数组中下标为 100 的位置代表进程优先级为 60 的进程队列，当这个队列中的一个进程时间片消耗完，并且他还可以继续放在 CPU 上运行(依然处于 R 状态)，那么他就会放入 waiting 数组中下标为 100 的位置，等待下一次被执行！
  当我们新创建了一个进程，他要在 CPU 上运行，也得先在 waiting 数组中属于该进程的优先级的那个队列中放着！

• wait 和 run 一样都是二级指针，wait 一开始指向的就是 waiting 数组！

• isEmpty 这是一个位图结构，bitmap 的定义就是下面这样的：

  struct bitmap
  {
       
  	char bits[5];
  };
  

  bitmap 的 bits 数组正好是 40 个比特位，对应每一个优先级的队列！
  如果 running 数组中某一个优先级队列中的每个进程的时间片全部都消耗完毕，那么在 bits 数组中的对应比特位就会被置位 0。例如：running 数组中下标为 100 的位置对应的进程队列中的所有进程的时间片消耗完毕之后，bits 数组中的 40 个比特位的第 0 位就会被置位 0！

当 running 数组中每个下标对应的进程队列都执行完了一遍，这就意味着，bitmap 中的 40 个比特位都被置 0 了！我们就能在近乎 O(1) 的时间内，判断出 running 数组中是否还存在未被执行过的进程。当判断出 running 数组中没有未被执行过的进程时(isEmpty == 0)，我们就交换 run 指针和 wait 指针，此时 CPU 就可以继续执行处于 R 状态的进程了！

• 如果我们不使用位图来判断 running 数组中是否有未执行过的进程，那么时间复杂度比较高了！
• 可以看出 run 指针始终指向那个正真的 running 数组(因为交换会使得 run 指向我们刚才在结构体中定义的 waiting 数组，但是交换之后，这个 waiting 数组才是正真的 running 数组，你应该能懂我的意思吧！)，同理，wait 指针始终指向那个正真的 waiting 数组。

以上讲解的进程调度算法称为：linux 内核 2.6 的 O(1) 调度算法！

知识点小结：

• 什么是进程优先级？
• 为什么要有进程优先级？
• 如何查看和修改进程的优先级？
• Linux 内核 2.6 版本是如何根据进程优先级调度进程的？