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前言
查看系统进程
进程优先级的修改
Linux调度与切换
Cpu的进程切换
Linux实现调度的算法
前言
进程访问系统资源要排队等待，而cpu资源分配和执行的先后顺序，就是指进程的优先级。进程的优先级，保证了必要进程的执行。进程访问某种资源，进程通过一定方式排队，确认享受资源先后顺序，相对来说是资源过少所造成的。
查看系统进程
Linux中，ps -l 命令会把当前用户启动的所有进程全部显示出来。其中，对应的消息有下：
UID : 代表用户的ID，即启动这些进程的用户
PID : 进程的编号
PPID ：父进程的编号
PRI ：代表此进程可被执行的优先级，它对应的是一个整型数字，其值越小越早被执行
NI ：代表这个进程的nice值
这里重点说明一下PRI和NI。RPI指的是进程的优先级大小，Linux默认的优先级是80。这个数据可以被更改，但优先级的范围是[60，99]，也就是说最大为99，最小为60，数字越小，优先级越高。但修改优先级不是修改pri是修改nice的值（nice值：NI）。
上面的NI是用来修改进程的优先级。进程的优先级不能直接修改，必须通过修改NI的数值来间接修改优先级，它表示进程可被执行的优先级的修正数值。
进程优先级的修改
修改优先级的命令是top。在Linux中，top指令是一个常用的性能分析工具，可以实时显示系统中各个进程的资源占用状况，类似于Windows的任务管理器，提供了实时的对系统处理器的状态监视。
使用修改优先级语句，总的来说，修改步骤为：进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入NI值->按q退出
注意：Linux允许用户修改优先级，但这里的修改优先级的数值不是让我们直接修改的，而是通过修改NI的数值来修改。这里的NI不是优先级，而是进程优先级修正的数据，即优先级：PRI = PRI + NI（这里PRI + NI的PRI是系统默认的优先级数值，即80）。
比如输入NI值=10，PRI =90（80+10）
这里设置NI的数值可以为负数，如修改为-10，此时的PRI = 70，NI = -10，设为0时即将PRI值还原。也就是说当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。
注意：在 Linux 系统中，只有超级用户（root）或具有 CAP_SYS_NICE 权限的用户才能将进程的 Nice 值设置为负数。普通用户只能调整自己的进程的 Nice 值到正数（降低优先级）。
这里如果在设置为负数时出现：Failed renice of PID 519342 to -10: Permission denied则说明权限不够，需要使用sudo top来修改优先级。
注意：每次修改优先级都是在PRI=80的情况下，即使在前面已经修改过NI值，下一次修改还是按照PRI=80来进行加减。
注意：这里修改优先级的数值不是随心所欲的修改，系统会自动根据优先级范围进行判断，若修改后的优先级数值小于60，那么系统赋予优先级的数值为60；若修改后的优先级数值大于99，那么系统赋予优先级的数值为99。因此，可知，NI的范围是[-20，19]，一共40个级别。
注意：不要随意修改优先级。
系统的这种设置完美地解决了个别进程优先级过高或过低，避免了进程饥饿的问题。
Linux调度与切换
当进程放在CUP上运行时，并不是把进程代码跑完才结束此进程。这样做是为了防止进程代码凌乱而导致其它进程不能被及时执行。因此，现代操作系统，都是基于时间片进行轮转执行的。在时间片轮转调度中，每个进程被分配一个固定长度的时间片，用于执行其任务。
进程的时间片是操作系统中用于实现时间片轮转调度的一个核心概念。当时间片用完时，操作系统会保存该进程的状态，然后切换到下一个进程，给予它一个时间片来执行。这个过程会不断循环，使得每个进程都有机会得到执行，从而实现并发执行的效果。
系统优先级之间的性质：（下图）
Cpu的进程切换
声明：CPU内的寄存器只有一套，适配这套寄存器的数据有很多，这些数据都是进程私有的一套适配寄存器的数据。相当于CPU的一套寄存器是各个进程都可以使用的公共工具，运行哪个进程，哪个进程的数据就可以使用这套工具来工作。所以寄存器不等于寄存器的内容。
CPU的寄存器是一套共享的硬件资源，各进程在运行时会利用这套寄存器保存和处理临时数据，但寄存器的内容（即这些数据）是进程私有的。运行某个进程时，CPU寄存器中的内容会加载该进程的上下文；当进程被剥离出CPU（如时间片到期或阻塞时），寄存器和其他CPU状态会作为硬件上下文被保存到进程的内存空间或操作系统管理的数据结构（如进程控制块，PCB）中。下次重新调度该进程时，硬件上下文会被恢复到CPU，确保进程能够从之前的状态继续运行。
进程在运行过程中，借助CPU来运行程序，运行中产生大量的临时数据，这些临时数据存放在CPU寄存器当中。
CPU内部的所有临时数据，包括寄存器内容、程序计数器（PC）、堆栈指针、状态寄存器等，被称为硬件上下文。当进程的程序从CPU上被剥离时（可能由于时间片到期或阻塞），硬件上下文承担着保护当前进程运行状态的任务。硬件上下文会被保存到进程的内存空间或PCB中，以便在稍后重新加载到CPU中。
当CPU二次调度该进程时，曾经存放在进程内存或PCB中的硬件上下文会重新加载到CPU寄存器，恢复进程的程序运行进度，并继续向下运行。
时间片到期属于主动调度，由调度器决定；而进程阻塞是由于进程等待资源（如I/O）或触发同步事件所导致的两种典型的上下文切换场景。无论是哪种情况，硬件上下文的保存与恢复保证了进程的运行状态不会丢失，从而实现多任务的可靠运行。
Linux实现调度的算法
CPU任务调度通过优先级队列实现，每个任务根据其重要性和实时性被分配到特定的优先级队列。系统设置了140个优先级队列，由数组array[140]表示。实时队列（0-99）高优先级任务，通常用于时间敏感的系统任务或实时应用。普通队列（100-139）：用于普通用户程序（也就是我们能用的），优先级较低。
由于依次查看优先级队列是否有任务很浪费时间，引入了位图加速查找。bitmap[5]包含5个32位整型变量，共160位，用于标记140个优先级队列的状态。比特位的位置表示是哪一个队列，每一位的内容表示一个优先级队列是否有任务。
实时任务与普通任务的切换机制。只执行实时任务时，普通任务将被挂起。 时间片结束后，系统会从其他实时任务中选择下一个任务，确保公平性。 当没有实时任务时，普通任务才会被执行。 时间片结束后，普通任务可能被降级至更低优先级的队列，防止任务长期占用CPU资源。
设置运行队列的双缓冲机制(struct q array[2])：array[0]。当前活动队列（active），存储正在运行的任务；array[1]：过期队列（expired），存储等待被激活的任务。当active队列中任务不断被处理，新来的进程全部加入到过期队列。当任务全部完成或时间片耗尽时，active和expired队列会进行交换。（互换操作是通过交换两个存放队列地址的指针的内容来高效实现的）过程如下图：
该调度系统通过优先级队列、位图快速查询和双缓冲队列的设计，实现了任务调度的高效性与公平性，整体设计简洁而高效，兼顾了实时任务的响应需求与普通任务的执行公平性。
