🌎进程的调度与切换
文章目录:
进程的调度与切换
进程切换
进程调度
活动状态进程队列
位图判断
过期队列
总结
前言:
在Linux操作系统中,进程的调度与切换是操作系统核心功能之一,它直接影响着系统的性能和响应速度。那么话不多说,开启我们今天的话题!
🚀进程切换
CPU中存在众多寄存器,不同的寄存器有不同的功能,这些寄存器都在CPU中保存着,每一个都能装一定的数据。
运行队列控制着PCB排队执行,每执行到一个进程的时候,内存里的eip指针会逐条追踪下一条指令。
我们要知道,所有的保存都是为了恢复,保存在CPU寄存器里的数据,是当前进程时间片用完之前所执行的进度,而 所有的恢复,都是为了从上次的运行位置继续运行。
并且,CPU内的所有临时数据,我们称之为进程的 硬件上下文! 硬件上下文,由我们的 进程进行保存,得以保护上下文。
当进程在进行第二次及第N次调度进程的时候,进程被放到CPU上开始运行,将曾经保存的硬件上下文进行恢复。
所以进程切换最重要的就是 进程上下文的保存和恢复。
我们可以看一下内核中的一些寄存器:
注意: CPU中的寄存器只有一套,而寄存器保存的数据可以有多套。虽然寄存器数据放在了共享的CPU设备内,但是 所有的数据都是被进程私有的!
🚀进程调度
✈️活动状态进程队列
我们上次说过,Linux实现进程调度的算法,需要考虑 优先级,考虑进程饥饿,以及效率。那么CPU是如何实现进程调度的呢?
我们来看一下Linux下CPU的运行队列的各项属性:
我们首先看蓝色框内的内容,有一个叫做 queue[140] 的数组,这里的 queue数组表示活动状态进程的进程队列。
其中在queue数组中,索引0~99号下标我们是不用的,这是因为0-99号下标对应的是 实时进程的优先级,实时进程是内核里更加重要的进程,放 在前100位由操作系统控制,避免系统抢占的情况。
所以我们只剩下 100-139 这个范围可操控,其实这也就和我们优先级的可控范围大小相同,正好对应队列的四十个空位,而OS通过 某种映射关系,将可控优先级映射到数组 100-139的下标。
✈️位图判断
我们看蓝色框内还有一项 bitmap数组,类型为int,这个数组用来干嘛呢?只能存储5个整形变量。
数组的名字叫做bitmap已经很明显了,就是位图,5个整形元素有 32 * 5 = 160 个比特位,比特位的位置,表示哪一个队列。比特位的内容,表示该队列为不为空。
比如:0000 … 0000 ,如果最左侧0对应queue[100]的位置,那么如果该比特位为0表示在该下标映射的优先级下该队列为空,否则不为空。
有人会问:为什么要用位图?不得不说,这是个愚蠢的问题,遍历整个队列的时间开销要远大于查找位图。
所以,bitmap是用来检测队列中是否有进程,检测对应的比特位是否为1!
而蓝色框内还有一个元素:nr_active,在Linux中,nr_active 是运行队列中用于表示活跃进程数量的计数器。nr_active 的值可以告诉内核有多少进程正在等待执行,从而帮助内核进行进程调度和资源分配。
✈️过期队列
在红色框中的三项属性与蓝色框中的三项属性完全相同,也就是另外一个队列,被称为——过期队列。
活跃队列表示当前CPU正在执行的运行队列,而 正在执行的运行队列(也就是活跃队列)是不可以增加新的进程的。
所以操作系统设置了一个 和活跃队列相同属性的过期队列,当活跃队列正在执行时如果有进程需要添加进运行队列,那么就会添加至过期队列当中,也就是说 活跃队列的进程一直在减少,而过期队列中的进程一直在增多!
当活跃队列的进程执行完毕后,就会和过期队列进行交换,它们交换的方式是通过两个结构体指针:
就是 active 和 expired 结构体指针,它们分别指向活跃队列和过期队列,而活跃队列与过期队列由于属性完全相同,于是被放在了一个叫做 prio_arry_t[2] 的数组里,prio_arry_t[0]指向活跃队列,prio_arry_t[1]指向过期队列:
struct q{//q是我随意取的名字
int nr_active;
int bitmap[5];
task_struct queue[140];
}
struct q *active;//活跃队列
struct q *expired;//过期队列
struct q *active = &prio_array_t[0];
struct q *expired = &prio_array_t[1];
当活跃队列被CPU执行完毕后,我们 只需要交换两个指针的内容即可,这样仅仅是指向的内容变了,活跃队列变为过期队列,过期队列变活跃队列,并且时间复杂度为 O(1):
swap(active, expried);//直接交换两个指针的内容
新增进程在过期队列里插入,此时正在执行的是活跃队列,所以这个时候在过期队列里就有时间处理竞争饥饿的问题了。
这样,我们竞争饥饿,优先级,以及进程效率都解决了。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-841352.html
📒✏️总结
- 进程切换最重要的部分就是 进程上下文的保护和恢复。
- 进程调度的优先级问题由 活跃进程数组的下标与进程优先级形成一种映射关系 解决。
- 进程调度的时间复杂度问题由 位图和两个结构体指针 解决,时间复杂度控制在了O(1)。
- 进程调度的进程饥饿问题由 活跃队列和过期队列 解决。
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