Linux系统之----进程优先级、调度与切换
在开启本篇文章的学习之前，我们先要熟悉如下两个事
1.概念
进程优先级指的是进程能得到某种资源的先后顺序，要理解好它与权限的关系，优先级是 能，拥有资源的先后顺序，权限是 能还是不能的问题
2.为什么要有优先级？
因为资源是有限的，本质就是资源少进程多！！!在竞争CPU资源！Linux的优先级在task_strect里面。
3.解剖优先级
我们随便撬开一个进程：
我们会发现有几个东西：UID、PRI和NI，那这两个都是什么呢？
答案是：
UID : 代表执行者的身份
PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行
NI ：代表这个进程的nice值
3.1 PRI（Priority）
定义：PRI代表进程的优先级，决定了操作系统调度进程的顺序。PRI值越小，进程的优先级越高。
特点：PRI是一个动态值，内核会根据进程的运行状态自动调整。
取值范围：Linux系统中，PRI的取值范围是0到139。其中，0到99是实时进程的优先级范围，100到139是普通进程的优先级范围。
PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice
实际上，我们上文看到的是PRI(new)值，在这里PRI（old)固定为80，我们是通过修改NI值来改变进程优先级的！！
3.2 NI（Nice值）
定义：NI是进程的静态优先级修正值，用于调整进程的优先级。通过修改nice值，可以间接改变进程的优先级。
特点：NI值是一个静态值，通常由用户手动设置，内核一般不会主动修改。
取值范围：NI值的取值范围是-20到19，一共40个级别。正值表示降低优先级，负值表示提高优先级。
3.3 总结
1）优先级范围
在Linux系统中，普通用户进程的优先级范围是60到99，一共40个级别。数值越小，表示进程的优先级越高。默认情况下，进程的优先级是80。
2）原因
这个范围限制是为了保持系统调度的公平性，防止用户随意将进程的优先级设置得过高或过低，从而避免进程饥饿问题。（这也是为什么NI值设置在【-20，19】之间的原因）
3）作用
实时进程优先：在Linux中，实时进程的优先级高于普通用户进程，因为实时进程需要即时响应，不受其他普通进程的影响。实时进程的优先级范围通常是0到99。
防止饥饿：通过限制普通进程的优先级范围，确保系统中的每个进程都有机会获得CPU资源，避免某些进程因优先级过低而长时间无法执行。
3.4 查看与修改
查看：可以通过ps -l命令查看进程的PRI和NI值。
修改：可以使用nice命令在启动进程时设置NI值，或者使用renice命令动态调整正在运行的进程 的NI值。或者top命令，进入后按r,输入PID值和要更改的NI值。
4.概念补充
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（进程之间是相互隔离的）
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，称
之为并发
5.进程切换
5.1 时间片
5.2 函数返回值问题
6.O(1)调度
O(1)调度算法是Linux内核中的一种进程调度算法，因时间复杂度为常数级别而得名，与进程数量无关。其核心思想是通过维护特定的数据结构，快速选择下一个要运行的进程
数据结构如下：
O(1)调度器为每个CPU维护两个队列：active队列（存放时间片未用完的任务）和expired队列（存放时间片已耗尽的任务）。
每个队列按优先级分为多个数组，对应不同的优先级。优先级范围为0~139，其中0~99为实时进程优先级，100~139为普通进程优先级。
我们注意到圈圈里面都有一个queue[140],bitmap[5],不同的是上面蓝色的当前是 active队列，下面红色的是expired队列。一个圈又是一个结构体，我们不妨定义为struct q,那这里红圈和蓝圈实际上是一个结构体数组，写为struct q array[2],蓝圈为array[0],红圈为array[1]
6.1 queue[140]
实际上，它是由结构体数组指针构成的，写作 struct tasj_struct * ,之后由链表连接而成，所以还有一个struct list_head,从0到139，总共140个，【0，99】我们先不管，先只看【60，99】，之后按优先级进行调度，这样，CPU在调度的时候只需将各个数组打开，如果里面指针为空，那就下一个，直到找到不为空的位置，但是倘如我们的进程在最后一个，139的位置，那我们的CPU岂不是还要在遍历一遍数组？实际上，不需要！这里就要看上面的那个bitmap了！
6.2 bitmap
有人可能会好奇，为什么是5而不是别的数字，实际上，这是因为我们的Int是32位，32*5=160，而32*4=128，128不够139，所以我们确定【】里面为5，而这160比特位我们称之为位图！！
6.2.1 位图
位图由一堆0和1组成，比特位位置：数组中第几个队列，比特位内容：表明该队列是否为空，为1则不为空，说明当前对应位置上挂着进程呢！
这样一来，操作系统只需要看bitmap【5】，即可确定里面那个位置有优先级最高的进程，于是便可以进行调度了！
这里在补充说明一点：CPU调度的时候，是直接从active指针，找到对应的queue[140],而我们的新增进程以及时间片到了的进程，会被从CPU上剥离下来，并重新入队列，入的是过期队列！！！
而我们的新增进程也是在这个时候会根据优先度来调度，判断出入过期队列的哪一部分的！
还有一点值得提的是，CPU调度完之后，就会跑到过期队列中，所以当我们调度完所有进程之后，所有进程都跑到过期队列中！而一但active没有进程了，那么swap(&active,&expired),交换两个指针的内容，继续调度！