Linux 2.6 内核进程 O(1) 调度队列

进程优先级

1. 基本概念

CPU 资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权。优先权高的进程有优先执行的权利。配置进程优先权对多任务环境的 Linux 很有用，可以改善系统性能。此外，还可以通过设置CPU亲和性，把进程运行到指定的CPU上，这样一来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以改善系统整体性能。

2. 查看系统进程

Linux 系统下可以用 ps -al 命令输出以下内容：

• UID：代表执行者的身份。
• PID：代表这个进程的代号。
• PPID：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号。
• 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. PRI and NI

• PRI：代表进程的优先级，PRI 越小执行越快。
• NI：表示进程优先级的修正数值。

引入 NI 后，PRI(new) = PRI(old) + NI，所以调整进程优先级就是调整 NI。

NI 的取值范围是 -20 到 19，一共 40 个级别。

4. 指令修改进程优先级

• top -> r -> 输入进程 ID -> 输入 NI 值
• nice
• renice

5. 进程切换

进程发生上下文切换的时候：

• 内核栈：在上下文切换时，用于保存和恢复寄存器状态。
• 用户堆栈：在上下文切换时保持不变，用于保存用户程序的函数调用栈、局部变量、返回地址和临时数据。

6. Linux 2.6 内核进程 O(1) 调度队列

O(1) 调度器使用了双向链表和位图的组合来实现高效的进程调度。

运行队列（runqueue）组成

• 元数据：包含锁（lock）、运行进程数（nr_running）、CPU 负载因子（cpu_load）等，用于调度控制和状态统计。

• 双队列设计：

  • 活跃队列（array[0]） ：存储时间片未耗尽的进程，通过 nr_active（活跃进程数）、bitmap[5]（位掩码，快速标记非空优先级队列）、queue[140]（140 个优先级链表，同优先级进程按 FIFO 排列）管理。
  • 过期队列（array[1]） ：存储时间片耗尽的进程，结构与活跃队列相同，通过 active 和 expired 指针轮换（活跃队列为空时交换，重新分配时间片，避免进程饥饿）。

优先级与队列管理

• 优先级范围：0~139（0~99 实时优先级，100~139 普通优先级，对应 nice 值 -20~19）。
• 队列管理：每个优先级对应一个双向链表，进程按优先级分组，同优先级按 FIFO 调度。
• 位图结构：bitmap[5] 由 5 个 unsigned long（共 160 位）组成，每一位对应一个优先级队列的空满状态。通过位运算实现 O(1) 查找，提升调度效率。

调度流程

调度器的工作流程如下：

调度决策

• 调度器通过 active->bitmap 快速定位最高优先级非空队列（如 idx=5），取出队首进程执行。
• 进程时间片耗尽后，从 active->queue[idx] 移除，加入 expired->queue[idx]，并标记 expired->bitmap[idx] 为非空。

队列交换

• 当 active->nr_active 减至 0 时，内核自动执行 swap(&active, &expired)，交换指针指向。
• 交换后，原 expired 队列成为新的 active 队列，原 active 队列变为 expired 队列。

新进程加入

• 新进程直接加入 expired 队列。
• 时间片耗尽的进程从 active 队列移入 expired 队列。

优先级和时间片管理

优先级范围：0~139，其中 0~99 为实时优先级，100~139 为普通优先级。

时间片分配：

每个进程在进入活跃队列时被分配一个时间片。时间片的长度取决于进程的优先级。优先级越高的进程（数值越小）获得的时间片越长。

时间片耗尽：

当一个进程用尽其时间片时，它会被移到过期队列中。

优先级调整：

通过NI优先级调整，但不会立即影响当前的时间片。进程会继续运行当前的时间片，直到时间片耗尽。当进程的时间片耗尽时，它会被移到过期队列中。在过期队列中，进程会根据新的优先级等待下一次队列交换。