1.1 基本概念#

• 是什么：进程获得CPU资源的先后顺序。

• 为什么需要：因为CPU资源稀缺，需要确定哪个进程优先执行。

• 如何实现：在进程的 task_struct 结构中用整数表示优先级。

• 区分：

  • 优先级 (Priority)：能否以及何时获得资源。

  • 权限 (Permission)：能否访问资源（安全控制）。

1.2 Linux优先级表示#

• PRI (Priority)：进程的最终优先级，用户无法直接修改。

  • Linux默认值：80

  • Linux范围：[60, 99]（共40级）

• NI (Nice Value)：进程优先级的修正值（调整参数）。

  • 范围：[-20, 19]

  • 用户可以通过 nice 或 renice 命令调整此值。

• 计算公式：

1
最终优先级(PRI) = 基础优先级(默认80) + NI值

• NI值越低（可为负数），优先级越高。

• NI值越高（最大19），优先级越低。

1.3 查看与调整优先级#

1
# 使用ps命令查看进程详细信息，包括优先级
2
ps -al | head -1 && ps -al | grep myprocess
3
# 输出示例：
4
# F S UID PID PPID C PRI NI ADDR SZ WCHAN TTY TIME CMD
5
# 0 S 1000 24261 24260 0 80 0 1054 hrtime pts/0 00:00:00 myprocess

1
# 启动时指定优先级（普通用户只能增加NI值，降低优先级）
2
nice -n 10 ./myprocess  # 设置NI为10
3

4
# 调整运行中进程的优先级
5
renice -n -100 -p 25110  # 调整进程25110的NI值（实际会限制在[-20,19]内）
6
renice -n 100 -p 25110   # 调整进程25110的NI值（实际会限制在[-20,19]内）

1.4 系统调用接口#

1
#include <sys/time.h>
2
#include <sys/resource.h>
3

4
int getpriority(int which, int who);  // 获取优先级
5
int setpriority(int which, int who, int prio);  // 设置优先级

1.5 进程权限与文件访问#

• Linux中，访问任何资源都是以进程身份进行，进程代表用户执行操作。

• 系统通过进程的有效用户ID (EUID) 判断文件访问权限（所有者、所属组、其他用户）。

2.1 时间片与进程调度#

• 时间片 (Time Slice)：每个进程被分配的执行时间单元。

• 关键事实：

  1. 进程不会一直占用CPU直到代码执行完毕，而是会在时间片用完后被切换。

  2. 死循环进程不会”打死”系统，因为它们也会被调度器切换出去。

2.2 CPU寄存器与进程上下文#

• 寄存器的作用：CPU内部的临时存储空间，用于保存当前正在执行进程的临时数据。

• 寄存器内容 = 进程的硬件上下文：

  • 程序计数器 (PC/EIP)：下一条要执行的指令地址。

  • 栈指针 (EBP/ESP)：栈帧相关信息。

  • 通用寄存器 (EAX, EBX, ECX, EDX等)：计算中间结果。

  • 段寄存器 (CS, DS, ES等)：内存段信息。

  • 标志寄存器 (EFLAGS)：状态标志。

2.3 进程切换的类比#

“学生当兵”模型：

• CPU (学校)：执行任务的地方。

• 进程 (学生)：需要执行的任务。

• 调度器 (辅导员)：决定哪个学生使用学校资源。

• 上下文 (学籍)：学生当前的学习状态。

• 切换过程：

  1. 保存上下文：学生离校当兵前，保存学籍信息（相当于保存进程的寄存器内容）。

  2. 恢复上下文：学生返校后，恢复学籍信息（相当于恢复进程的寄存器内容）。

  3. 继续执行：从上次中断的地方继续学习。

2.4 进程切换的核心机制#

1. 上下文保存位置：进程的上下文数据被保存到其 task_struct 结构体中。

2. 具体实现：在Linux中，上下文信息通常保存在 TSS (Task State Segment，任务状态段) 结构中。

3. 切换核心：进程切换最核心的操作就是保存当前进程的硬件上下文到其PCB中，并将下一个进程的上下文从PCB恢复到CPU寄存器。

3.1 TSS结构#

1
// 任务状态段数据结构
2
struct tss_struct {
3
    long back_link;     // 链接字段
4
    long esp0;          // 0级栈指针
5
    long ss0;           // 0级栈段选择符
6
    long esp1;          // 1级栈指针
7
    long ss1;           // 1级栈段选择符
8
    long esp2;          // 2级栈指针
9
    long ss2;           // 2级栈段选择符
10
    long cr3;           // 页目录基址寄存器
11
    long eip;           // 指令指针
12
    long eflags;        // 标志寄存器
13
    long eax, ecx, edx, ebx;  // 通用寄存器
14
    long esp;           // 栈指针
15
    long ebp;           // 基址指针
16
    long esi, edi;      // 变址寄存器
17
    long es, cs, ss, ds, fs, gs;  // 段寄存器
18
    long ldt;           // 局部描述符表选择符
19
    long trace_bitmap;  // 调试跟踪位图
20
    struct i387_struct i387;  // 浮点运算单元状态
21
};

3.2 TSS在PCB中的位置#

1
struct task_struct {
2
    // 各种进程属性...
3
    long state;         // 进程状态
4
    long counter;       // 时间片计数器
5
    long priority;      // 优先级
6
    // ... 其他字段
7

8
    /* tss for this task */
9
    struct tss_struct tss;  // 任务状态段
10
};

4.1 核心数据结构#

1
// 简化表示
2
struct prio_array {
3
    unsigned int bitmap[5];     // 优先级位图，指示哪些优先级队列非空
4
    struct list_head queue[140]; // 140个优先级队列，每个队列对应一个优先级
5
    unsigned int nr_active;     // 活跃进程总数
6
};
7

8
struct runqueue {
9
    struct prio_array *active;   // 指向活跃队列
10
    struct prio_array *expired;  // 指向过期队列
11
    // ... 其他调度信息
12
};

4.2 调度过程#

bitmap[5]:⼀共140个优先级，⼀共140个进程队列，为了提⾼查找⾮空队列的效率，就可以⽤ 5*32个比特位表示列是否为空，这样，便可以⼤⼤提⾼查找效率！

1. 两个队列设计：

   • 活跃队列 (active)：存放仍有时间片的进程。

   • 过期队列 (expired)：存放时间片已用完的进程。

2. 调度步骤： a. 从活跃队列的位图中查找最高优先级的非空队列。 b. 从该优先级队列中取出第一个进程执行。 c. 进程时间片用完时，重新计算优先级和时间片，放入过期队列。 d. 当活跃队列为空时，交换活跃队列和过期队列的指针。

3. 性能特点：选择下一个进程的时间复杂度为 O(1)，与系统进程数无关。

4.2 优先级映射#

• Linux优先级范围 [60, 99] 映射到调度器的140个优先级队列。

• 映射关系考虑公平性和响应性需求。

4.3 进程饥饿问题#

• 定义：由于优先级设置不合理，导致低优先级进程长时间得不到CPU资源。

• 解决方案：

  1. 动态优先级调整：根据进程行为（CPU密集型 vs I/O密集型）动态调整优先级。

  2. 时间片补偿：为长时间未运行的进程提供额外时间片。

  3. 公平调度算法：如CFS（完全公平调度器），确保所有进程公平分享CPU时间。

4.4 实时操作系统 vs 分时操作系统#

• 分时操作系统 (如桌面Linux)：

  • 目标：公平分享CPU时间。

  • 特点：支持优先级，但可能被抢占。

  • 应用：通用计算环境。

• 实时操作系统 (如VxWorks, RTLinux)：

  • 目标：保证任务在规定时间内完成。

  • 特点：严格优先级，高优先级任务可立即抢占低优先级任务。

  • 应用：工业控制、航空航天、医疗设备等关键任务系统。