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🔥 系列专栏：Linux

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🚀 前言

一： 🔥 进程优先级

🍵 基本概念

  • 🍊 cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先级（priority）。
  • 🍊 优先权高的进程有优先执行权利。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。
  • 🍊 还可以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，可以大大改善系统整体性能。

🍵 查看系统进程

💦 在linux或者unix系统中，用 ps –l 命令则会类似输出以下几个内容：
在这里插入图片描述
我们很容易注意到其中的几个重要信息，有下：

  1. UID : 代表执行者的身份
  2. PID : 代表这个进程的代号
  3. 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
  4. PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行
  5. NI ：代表这个进程的nice值
  6. Linux的默认优先级是80

🍵 PRI and NI

  • PRI 也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高。
  • 那 NI 呢? 就是我们所要说的 nice 值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值。
  • PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：RI(new)=PRI(old)+nice。
  • 这样，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行。
  • nice所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值。
  • nice其取值范围是-20至19，一共40个级别。

🍵 PRI vs NI

  • 需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是一个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。
  • 可以理解nice值是进程优先级的修正数据。

🍵 用top命令更改已存在进程的nice：

🎯 查看进程优先级指令：

ps -al / l

🎯 调整进程优先级

第一步：top
第二步：输入r
在这里插入图片描述

第三步：输入需要调整优先级的进程id

在这里插入图片描述

第四步：输入想要增加的优先级值（比如输入10，就是优先级就降低10，输入-10，就是优先级就升高10）

在这里插入图片描述

结果：使用ps -al 查看myexe 的PRI发现更改为 90了 NI 值更改为10。

在这里插入图片描述

🍵 为什么Linux优先级调整会被限制？

  • 如果不受限制，自己可以将自己的进程的优先级设置非常高，而系统的，或者别人的非常低，优先级较高的进程获得资源，后续还有很多今后曾源源不断产生，会导致常规进程享受不到资源。造成进程饥饿问题。

🍵 其他概念

  • 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，称之为并发。

二：🔥 进程调度切换

🎯 进程在运行的时候，放在CPU上，并不是需要将该进程的代码全部执行完才会被拿下CPU，现代操作系统，都是基于时间片进行轮转执行，一个进程在CPU上有一个执行最大时间，即时间片，在CPU上执行了该时间，就会被拿下。

🍵 进程切换

🍊 CPU里面有大量的寄存器，比如：eax，ebx,ecx,edc，eds/ecs,eip… 等等，当一个进程在CPU 上被运行的时候，这些寄存器会围绕这个进程进行展开运算，保存相关的在执行该进程代码中的信息，临时数据，比如变量，函数等等。

  • 其中 epi 也就是我们所说的 pc指针，记录进程执行到哪里了（比如PC记录的是一个进程代码的50行，则说明当前执行的是第49行）。这能保证进程在切换回来后还是继续往后执行。

  • 当一个进程在CPU上的时间到了，要被拿下CPU时，需要将CPU上关于该进程的所有数据（大多是寄存器上的数据）（被称为进程的硬件上下文）全部保存带走，这些数据有些保存到进程的PCB中，有些保存在其他地方，较为复杂。这个过程叫 保护上下文。

  • 这个进程被拿下后，CPU里面的寄存器的数据还是上一个进程的旧数据，当这些寄存器需要存储新的进程的相关数据时，直接覆盖式的写入即可。

  • 如果是首次调度该进程，就直接从代码开头运行即可，如果不是首次调度，进程被放到CPU上运行时，则需要先把上次的硬件上下文数据进行恢复(恢复上下文)，然后根据 eip寄存器 中保存的上次代码执行的位置继续执行。

  • CPU内的寄存器只有一套，虽然寄存器数据放在了共享的CPU是设备里面，但是所有的数据，其实都是被进程私有的。

🍵 进程调度

Linux实现进程调度的算法，考虑优先级，考虑饥饿，考虑效率。

  • 🍊 我们来看看Linux的运行队列，如下图（runqueue）：

  • 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？

  • 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：

  • 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)：

  • 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。

📒✏️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。

三：🔥 命令行参数

🚀 关于命令行参数，在C/C++中，我们main函数能不能带参数？实际上是可以的：

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])   //main函数的形参
{
	return 0;
}
  • main函数参数其中两个参数为 int argc 和 char *argv[]，其中 argv是指针数组，里面存的全是指针变量，这里我告诉你 argc 是 argv 数组的元素个数，那么 argv 数组究竟存着什么东西？我们不妨做个实验：
[lisi@hcss-ecs-a9ee work]$ cat tmp.cpp

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
	for(int i = 0 ; i < argc ; ++i)
	{
		printf("argv[%d]:%s\n",i ,argv[i]);
	}
	return 0;
}

[lisi@hcss-ecs-a9ee work]$ g++ tmp.cpp -o tmp -std=c++11
[lisi@hcss-ecs-a9ee work]$ ./tmp
argv[0]:./tmp
  • 我们发现，argv保存的内容恰好是我们向命令行解释器输入的内容，我们不妨在命令后多加几个选项：
[lisi@hcss-ecs-a9ee work]$ ./tmp -a -l
argv[0]:./tmp
argv[1]:-a
argv[2]:-l

这里的结果就很明显了，bash 将我们命令行参数以空格为分隔符转化为一个个的子串，并且 argv里的每一个指针按照顺序指向不同的子串。

说到字符串，我们无论实在Linux还是Windows或者其他系统，都有命令行提示符，他们是怎么构成的？我们输入的命令被转化成了一整个字符串，以空格作为分隔符，将整个字符串转化为一个一个的子串。

所以这样也能获取到我们的命令行参数。现在我们知道了C语言 main函数中两个参数是由bash维护并创建和传参的。但是为什么要这么做？

我们以下面一段代码来帮助理解：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>


//实现不同的算数功能
int main(int argc, char* argv[])
{
    if (argc != 4)
    {
        printf("Usage:\n\t%s -[add|sub|mul|div] x y\n\n", argv[0]);
    }

    int x = atoi(argv[2]);
    int y = atoi(argv[3]);

    if (strcmp("-add", argv[1]) == 0)
    {
        printf("%d + %d = %d\n", x, y, x + y);
    }
    else if (strcmp("-sub", argv[1]) == 0)
    {
        printf("%d - %d = %d\n", x, y, x - y);
    }
    else if (strcmp("-mul", argv[1]) == 0)
    {
        printf("%d * %d = %d\n", x, y, x * y);
    }
    else if (strcmp("-div", argv[1]) == 0)
    {
        printf("%d / %d = %d\n", x, y, x / y);
    }
    else
    {
        printf("unknown!\n");
    }
    return 0;
}
  • 上面是我们根据输入的命令行参数的选项来做不同功能的函数：
    在这里插入图片描述

这样我们就可以通过不同的选项，让我们同一个程序执行它内部不同的功能。

这个功能是不是很像我们的指令？（比如：ls 指令）为什么我们指令可以根据不同的选项而做出不同的动作？原因就在于我们的选项传递到main函数中的 argc 和 argv当中，所以能够完成同一个指令根据不同选项做出对应的功能，所以，选项的本质就是命令行参数！

四：🔥 共勉

以上就是我对 【Linux】进程优先级、调度、命令行参数：从理论到实践（二） 的理解，会立刻更新下一篇的，觉得这篇博客对你有帮助的，可以点赞收藏关注支持一波~😉
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# linux # 运维 # 服务器
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