进程优先级切换调度-进程概念（6）

进程的优先级

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>int main()
{while(1){printf("我是一个父进程， pid: %d, ppid: %d\n", getpid(), getppid());sleep(1);}return 0;
}

1. 先说结论

• PRI：进程的优先级，默认为80
• NI：进程优先级的修正数据，别称为nice值
• 进程真实的优先级 = PRI（默认）+ NI，就是PRI
• 进程优先级它就是一种数字，task_struct中的int成员变量
• 值越低，优先级越高，反之优先级越低。Linux是基于时间片的分时操作系统，考虑到公平性，优先级可能变化，但是变化幅度不能太大

2. 修改进程的优先级

进程的优先级不建议去改，就用默认的。改太多的话，会影响到操作系统调度进程的平衡，就算要修改进程的优先级，也建议修改nice值，而不是直接去修改PRI

先输入top命令，再按键盘上的r（意味着我要重新调整优先级），输入要重新调整进程的PID，接下来输入你想将nice值改为多少，这里我输入10，按回车键

此时PRI的值就是最终优先级是，OS对多次更改优先级会有一定的限制，可能你需要切换到root超级用户（su -)，才能再次更改优先级

那此时再将nice值改为-10时（再次更改，它不允许了，需要切换成超级用户），猜一下最终优先级PRI是多少？之前是90，那减去10，最终优先级应该是80。实际上PRI为70

这为是70呢？之前结论提到了，进程真实的优先级 = PRI（默认）+ NI，默认是80，加上NI的值（-10）不就是70。所以进程优先级做调整，永远是从默认出发

这样初看咋感觉这么奇怪呢？为什么要这么设计呢，但仔细想想又有点道理，如果调整是从上次的最终优先级出发，那是不是还得查找上次的最终优先级？而规定死一个默认初始值，想调整最终优先级，只需要去修改nice值即可

3. 优先级的极值问题

在探究优先级的极值问题之前，先来看一个调整nice值的命令：renice -n nice值 -p 该进程的PID

观察上面的图片，可以看到将nice值更改成100时，最高也只能到19。将nice值更改成-100时，最高也只能到-20，因此nice值的范围是：[-20, 19]，由此便能得出Linux进程的优先级范围是[60, 99]

在进程调度时要考虑公平性，幅度不能太大。如果进程优先级能随意修改的话，那用户就可能会恶意修改自己进程的优先级，来尽可能让自己进程优先得到资源

优先级设立不合理，会导致优先级低的进程，长时间得不到CPU资源，进而导致进程饥饿

补充四个概念（竞争，独立…）

• 竞争性：系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，甚至1个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效完成任务，更合理竞争相关资源，便具有了优先级

• 独立性：多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰

• 并行：多个进程在多个CPU下分别同时进行运行，这称之为并行

• 并发：多个进程在一个CPU下采用进程切换的方式，在一段时间之内，让多个进程都得以推进，这称之为并发

这个并发概念，只要我切换进程的时间足够块，比如1秒内，这三个进程都运行了一会儿，三个进程运行的时间加起来就为1秒，它可能是1ms切换一次，关键CPU就算是1ms的时间也能运行很多很多的代码

此时用户就会感受到多个进程在同时运行，但实际上单CPU，只能支持让一个进程运行，无法让多个进程同时运行，进程运行其实是一卡一卡的，但是它切换太快了，我们感受不到而已

进程切换

1. 死循环进程如何运行

先提出一个问题：如果一个进程占有CPU，它会将自己的代码全部跑完，再让另外一个进程调度？按这样看来，如果这是一个死循环进程，那就会一直都占有CPU

实际上OS并不会让一个进程持续性占有CPU，否则遇到死循环进程，系统就直接卡死了，OS会通过时间片这样的东西进行调度和切换进程

这个时间片可以这么理解：你这个进程我只给你1ms的时间占用CPU哦，1ms结束之后我就将你从CPU中拿下来，你的代码和数据没跑完就自己再重新到运行队列去排队。那这个1ms就是时间片

2. 聊聊CPU，寄存器

其实CPU执行进程时，就跟PCB关系不大了，重点是去执行进程的代码和数据，在CPU上会存在着一片寄存器，这个寄存器就是CPU内部的临时空间

当这个进程在跑的时候，CPU所有的寄存器都会被填上对应的临时值，有的寄存器是描述你这个进程数据结果有没有溢出，有的是描述数据计算有没有错误，有的是描述你的代码和数据是从哪里开始的等等

各个寄存器有各自的任务，保存正在运行进程的临时数据。但是要特别注意的是，寄存器它只是空间，不等同于寄存器里面的数据（内容），空间只有一份，内容可以是变化的，多份的，这一点非常重要

就比如int a = 10;这里的a是一个左值，a = 20;是将20这个数值放到a这个空间里，此时再赋值b = a;而这里的a并不是空间，它是一个右值，是将a中的内容赋值给b

3. 如何切换进程

3.1 例子理解

这里可以用大学生入伍的例子进行类比说明，首先你得告诉导员，办理好征兵入伍的报名表，交给导员进行初步审查，再经导员交给学校办理保留学籍证明，此时你的身份从学生变成了义务兵。这是一次切换

当两年兵回来之后，不是马上就能上课的，你得恢复学籍，身份得从义务兵再次变成学生，并经由导员，学校批准审核办理恢复学籍证明。这是二次切换

在这个过程中，你是一个进程，导员就是一个调度器，而学校就是CPU

学籍就是进程运行时的临时数据，CPU中寄存器里面的内容，称作当前进程的上下文数据

保留学籍就是保存进程的上下文数据，将CPU寄存器里面的内容给保存起来

恢复学籍就是恢复进程的上下文数据，将保存的内容重新恢复到CPU寄存器内

去当兵就是将该进程从CPU上给剥离下来，当兵结束就是CPU重新调度该进程

3.2 具体理解

在A进程的时间片到了之后，进程A切换走之前，会将寄存器中的内容拷贝一份到某个地方，这样寄存器中的值就对A进程没有任何意义了，所以到了进程B运行时，直接将进程B的上下文数据覆盖寄存器中的值即可，进程A被重新调度时，并不能直接跑，要将曾经保存的上下文数据逐一恢复到各寄存器上，这样进程A就能在历史的位置继续运行了

进程切换最为核心的工作就是，保存和恢复当前进程的硬件上下文数据，即CPU内寄存器中的内容，而OS会将这个内容保存到该进程的task_struct中的TSS（任务状态段），就是一个结构体成员变量，下面是Linux源代码文件

3.3 全新进程 VS 已经调度过的进程

全新进程与已经调度过的进程要如何区分呢？其实在task_struct里再去新增一个标志位int isrunning，只要开始第一次调度，那isrunning从今往后都是1，否则就是0。这样C调度器就很容易检测出来你这个进程是全新的，还是已经调度过的进程

实时操作系统与分时操作系统

调度器：进行调度和切换的工作，首先是将进程保存下来，再切换进程，选择另外一个进程放上去

分时操作系统：以时间片为单位，进行公平调度

实时操作系统：来了一个进程，就要将这个进程给处理完才能处理下一个进程，所以它的调度算法是一定要比分时操作系统的调度算法要简单的

实时操作系统的特点与应用场景

1. 实时操作系统的核心特性：
   • 能够在严格的时间约束内完成任务调度和响应。
   • 适用于对时间敏感的场景，例如需要快速响应的控制任务。
2. 主要应用领域：
   • 汽车领域：
     • 车载系统和行车电脑需要实时操作系统来实现关键功能，如主动刹车、车道保持等。
     • 当传感器检测到危险（如与前车距离过近）时，实时操作系统会立即生成高优先级的刹车任务，确保在极短时间内完成刹车操作，保障行车安全。
     • 这种场景下，分时操作系统无法满足快速响应的需求，因为分时操作系统会根据任务优先级和时间片分配资源，可能会导致刹车任务延迟执行。
   • 工业和制造业领域：
     • 在生产线上，实时操作系统用于监控和控制生产过程。
     • 例如，当检测到产品质量问题导致良品率下降时，实时操作系统能够快速停止生产线，避免进一步生产不合格产品。
     • 这种快速响应能力对于减少生产损失和提高生产效率至关重要。

分时操作系统的特点与应用场景

1. 分时操作系统的核心特性：
   • 通过时间片轮转的方式分配系统资源，允许多个任务同时运行。
   • 适合用户交互频繁的场景，例如日常办公、娱乐等。
2. 主要应用领域：
   • 互联网领域：
     • 用户在使用电脑或手机时，通常需要同时运行多个任务，如听歌、浏览网页、编写代码等。
     • 分时操作系统能够合理分配资源，让用户在不同任务之间切换时感觉流畅。
     • 例如，用户不会因为某个任务（如代码编译）而无法立即播放音乐，这种灵活性和多任务处理能力是分时操作系统的优势。
   • 日常使用场景：
     • 对于普通用户来说，分时操作系统能够满足日常需求，提供良好的用户体验。
     • 用户更倾向于使用能够灵活切换任务的系统，而不是实时操作系统这种严格按优先级调度任务的系统。

两种操作系统的对比

1. 实时操作系统：
   • 优点：能够快速响应紧急任务，确保任务在规定时间内完成。
   • 缺点：灵活性较差，任务调度较为严格，不适合多任务交互频繁的场景。
   • 适用场景：对时间敏感的控制任务，如汽车安全系统、工业自动化控制等。
2. 分时操作系统：
   • 优点：能够同时处理多个任务，用户交互体验好。
   • 缺点：无法保证任务在严格的时间约束内完成，不适合对时间要求极高的场景。
   • 适用场景：日常办公、娱乐、互联网应用等。