進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的基本概念

在linux系統(tǒng)中，進(jìn)程優(yōu)先級(jí)（priority）決定了進(jìn)程執(zhí)行的順序。優(yōu)先級(jí)較高的進(jìn)程優(yōu)先獲得cpu資源，從而提高了執(zhí)行的優(yōu)先權(quán)。優(yōu)先級(jí)值越低，進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)越高，這意味著該進(jìn)程更有可能被cpu優(yōu)先執(zhí)行。合理配置進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)對(duì)于提升系統(tǒng)的整體性能至關(guān)重要。

此外，Linux還提供了將進(jìn)程運(yùn)行到指定CPU的功能。通過將不重要的進(jìn)程分配到特定的CPU上，可以更有效地利用CPU資源，避免系統(tǒng)性能下降。

如何查看系統(tǒng)進(jìn)程

在Linux或unix系統(tǒng)中，我們可以使用ps -l命令來查看當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程。輸出信息中包含了多個(gè)有用的字段，幫助我們理解每個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)。以下是一些重要字段：

• UID：表示進(jìn)程的執(zhí)行者身份。
• PID：代表進(jìn)程的標(biāo)識(shí)符。
• PPID：表示該進(jìn)程的父進(jìn)程ID。
• PRI：進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。值越小，優(yōu)先級(jí)越高。
• NI：進(jìn)程的nice值，影響進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。

PRI和NI：優(yōu)先級(jí)與Nice值

PRI（Priority）是進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，其值越小，優(yōu)先級(jí)越高，進(jìn)程越有可能先執(zhí)行。NI（Nice）是進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)修正值，可以調(diào)整進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。通過修改nice值，用戶可以間接地影響進(jìn)程的PRI值。

具體地，進(jìn)程的新PRI值計(jì)算公式為：

PRI(new) = PRI(old) + nice

當(dāng)nice值為負(fù)時(shí)，進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)會(huì)變?。▋?yōu)先級(jí)提升）；當(dāng)nice值為正時(shí)，進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)會(huì)變大（優(yōu)先級(jí)降低）。nice值的范圍是-20到19（PRI的值為0~99），越小表示優(yōu)先級(jí)越高，越大表示優(yōu)先級(jí)越低。

查看和調(diào)整進(jìn)程優(yōu)先級(jí)

在Linux中，查看進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的常用命令是top。通過top命令，我們不僅能夠查看各個(gè)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，還能實(shí)時(shí)調(diào)整進(jìn)程的nice值：

• 輸入top命令啟動(dòng)進(jìn)程監(jiān)視。
• 按r鍵，選擇需要調(diào)整的進(jìn)程PID。
• 輸入新的nice值來調(diào)整該進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。

除了top命令外，Linux還提供了nice和renice命令來分別調(diào)整進(jìn)程的初始優(yōu)先級(jí)和修改已經(jīng)運(yùn)行中的進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。

補(bǔ)充概念-競爭、獨(dú)立、并行、并發(fā)

• 競爭性：系統(tǒng)進(jìn)程數(shù)量眾多，而CPU資源只有少量，甚至1個(gè)，所以進(jìn)程之間是具有競爭屬性的。為了高效完成任務(wù)，更合理競爭相關(guān)資源，便具有了優(yōu)先級(jí)。
• 獨(dú)立性：多進(jìn)程運(yùn)行，需要獨(dú)享各種資源，多進(jìn)程運(yùn)行期間互不干擾。
• 并行：多個(gè)進(jìn)程在多個(gè)CPU下分別，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行，這稱之為并行。
• 并發(fā)：多個(gè)進(jìn)程在一個(gè)CPU下采用進(jìn)程切換的方式，在一段時(shí)間之內(nèi)，讓多個(gè)進(jìn)程都得以推進(jìn)，稱之為并發(fā)。

進(jìn)程切換

CPU上下文切換：其實(shí)際含義是任務(wù)切換，或者CPU寄存器切換。當(dāng)多任務(wù)內(nèi)核決定運(yùn)行另外的任務(wù)時(shí)，它保存正在運(yùn)行任務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，也就是CPU寄存器中的全部內(nèi)容。這些內(nèi)容被保存在任務(wù)自己的堆棧中，入棧工作完成后就把下一個(gè)將要運(yùn)行的任務(wù)的當(dāng)前狀況從該任務(wù)的棧中重新裝入CPU寄存器，并開始下一個(gè)任務(wù)的運(yùn)行，這一過程就是context switch。

時(shí)間片：當(dāng)代計(jì)算機(jī)都是分時(shí)操作系統(tǒng)，每個(gè)進(jìn)程都有它合適的時(shí)間片（其實(shí)就是一個(gè)計(jì)數(shù)器）。時(shí)間片到達(dá)，進(jìn)程就被操作系統(tǒng)從CPU中剝離下來。

Linux2.6內(nèi)核進(jìn)程O(1)調(diào)度隊(duì)列

上圖是Linux2.6內(nèi)核中進(jìn)程隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，之間關(guān)系也已經(jīng)給大家畫出來，方便大家理解。

• 一個(gè)CPU擁有一個(gè)runqueue，如果有多個(gè)CPU就要考慮進(jìn)程個(gè)數(shù)的負(fù)載均衡問題。
• 優(yōu)先級(jí)：
  • 普通優(yōu)先級(jí)：100?139（我們都是普通的優(yōu)先級(jí)，想想nice值的取值范圍，可與之對(duì)應(yīng)！）
  • 實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)：0?99（不關(guān)心）

活動(dòng)隊(duì)列及其優(yōu)化

在操作系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度中，活動(dòng)隊(duì)列（Active Queue）用于管理處于運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程?；顒?dòng)隊(duì)列不僅管理進(jìn)程的排隊(duì)順序，還涉及進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)和調(diào)度策略。以下是活動(dòng)隊(duì)列的關(guān)鍵概念及其優(yōu)化過程的整理：

活動(dòng)隊(duì)列的基本概念

• nr_active：表示當(dāng)前活動(dòng)隊(duì)列中處于運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)程總數(shù)。它用于記錄系統(tǒng)中所有正在運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)量。
• queue[140]：這是一個(gè)數(shù)組，其中每個(gè)元素對(duì)應(yīng)一個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列。進(jìn)程按照優(yōu)先級(jí)排隊(duì)，相同優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程使用先進(jìn)先出（FIFO）規(guī)則進(jìn)行調(diào)度。數(shù)組下標(biāo)代表進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，因此queue[0]表示優(yōu)先級(jí)最高的進(jìn)程隊(duì)列，queue[139]表示優(yōu)先級(jí)最低的進(jìn)程隊(duì)列。

進(jìn)程調(diào)度的基本過程

操作系統(tǒng)根據(jù)活動(dòng)隊(duì)列進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度的過程如下：

1. 遍歷隊(duì)列：從queue[0]開始遍歷，查找非空的進(jìn)程隊(duì)列。
2. 選擇最高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程隊(duì)列：找到第一個(gè)非空隊(duì)列，該隊(duì)列中的進(jìn)程具有最高的優(yōu)先級(jí)。
3. 選中并執(zhí)行進(jìn)程：從該非空隊(duì)列中選擇第一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度執(zhí)行。
4. 調(diào)度完成：該進(jìn)程開始執(zhí)行，調(diào)度過程結(jié)束。

該過程的時(shí)間復(fù)雜度通常為常數(shù)時(shí)間，因?yàn)殛?duì)列的遍歷通常是有限的，但存在低效的情況。

低效問題及優(yōu)化方案

直接遍歷queue[140]來查找非空隊(duì)列存在效率問題，尤其在系統(tǒng)中進(jìn)程數(shù)量較多時(shí)，這種遍歷方式會(huì)變得低效。為了提高查找非空隊(duì)列的效率，可以通過使用位圖（bitmap）進(jìn)行優(yōu)化：

• bitmap[5]：為了提高查找非空隊(duì)列的效率，可以使用位圖來標(biāo)識(shí)每個(gè)進(jìn)程隊(duì)列是否為空。此位圖有140個(gè)位置，表示140個(gè)進(jìn)程隊(duì)列，每個(gè)位置使用5個(gè)字節(jié)（5 * 32位），每一位表示相應(yīng)隊(duì)列的空閑狀態(tài)。
• 優(yōu)化效果：通過位圖的使用，可以在常數(shù)時(shí)間內(nèi)快速定位到第一個(gè)非空隊(duì)列，從而大大提高查找和調(diào)度的效率。

過期隊(duì)列

過期隊(duì)列和活動(dòng)隊(duì)列結(jié)構(gòu)一模一樣。過期隊(duì)列上放置的進(jìn)程，都是時(shí)間片耗盡的進(jìn)程。當(dāng)活動(dòng)隊(duì)列上的進(jìn)程都被處理完畢之后，對(duì)過期隊(duì)列的進(jìn)程進(jìn)行時(shí)間片重新計(jì)算。

過期隊(duì)列與活動(dòng)隊(duì)列的結(jié)構(gòu)

過期隊(duì)列和活動(dòng)隊(duì)列在結(jié)構(gòu)上非常相似，都是由一個(gè)隊(duì)列組成，用于管理不同優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程。其基本結(jié)構(gòu)如下：

• 過期隊(duì)列：這是放置已經(jīng)超時(shí)或者不再需要立即執(zhí)行的進(jìn)程隊(duì)列。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)來調(diào)度這些進(jìn)程，通常只有在特定的條件下，才會(huì)將這些進(jìn)程重新激活。
• 活動(dòng)隊(duì)列：這個(gè)隊(duì)列用于管理當(dāng)前需要執(zhí)行的進(jìn)程。處于活動(dòng)隊(duì)列中的進(jìn)程會(huì)按照優(yōu)先級(jí)順序執(zhí)行，直至完成。

過期隊(duì)列和活動(dòng)隊(duì)列的關(guān)鍵點(diǎn)：

當(dāng)活動(dòng)隊(duì)列中的進(jìn)程被處理完畢后，系統(tǒng)會(huì)重新計(jì)算過期隊(duì)列中進(jìn)程的時(shí)間片，并重新將其加入活動(dòng)隊(duì)列，等待重新執(zhí)行。

active指針與expired指針

在操作系統(tǒng)中，active和expired指針用于指向活動(dòng)隊(duì)列和過期隊(duì)列的內(nèi)容。具體作用如下：

• active指針：該指針始終指向活動(dòng)隊(duì)列，管理當(dāng)前需要執(zhí)行的進(jìn)程。當(dāng)隊(duì)列中有進(jìn)程時(shí)，active指針指向活動(dòng)隊(duì)列的第一個(gè)進(jìn)程，系統(tǒng)從該進(jìn)程開始調(diào)度。
• expired指針：與active指針類似，expired指針指向過期隊(duì)列。過期隊(duì)列存儲(chǔ)的是已超時(shí)的進(jìn)程，等待重新激活并加入活動(dòng)隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度。

盡管active和expired指針指向的是兩個(gè)不同的隊(duì)列，但它們之間的轉(zhuǎn)換并沒有特別復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行時(shí)間片結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)將其從活動(dòng)隊(duì)列移到過期隊(duì)列。當(dāng)過期隊(duì)列中的進(jìn)程恢復(fù)執(zhí)行時(shí)，它們會(huì)再次被移動(dòng)到活動(dòng)隊(duì)列。