【本节重点】

• 了解进程调度，Linux进程优先级，理解进程竞争性与独立性，理解并行与并发
• Linux的调度与切换，了解Linux2.6内核中进程队列的数据结构
• 理解环境变量，熟悉常见环境变量及相关指令, getenv/setenv函数
• 理解C内存空间分配规律，了解进程内存映像和应用程序区别, 认识地址空间。

1.进程优先级

前提：进程要访问某种资源，进程进行通过一定的方式(排队)，确认享受资源的先后顺序。

1.1.基本概念

• cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（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。

提问：优先级 vs 权限

       权限绝对的是能不能的问题，而优先级决定的是你先还是我先的问题，说白了，只要到了优先级，大概率一定是你拥有享受这个资源的权限了，只不过需要通过优先级确定先后的问题。

为什么要有优先级呢？

我们可以想一想，如果我们在食堂打饭的时候，打饭的人比学生多，那么学生就不用排队，可是现在打饭的人明显少于学习，所以学生就要排队，进程也是如此，因为系统的资源过少！但是这是一个相对概念，只有在中午去食堂买饭就需要排队，而在下午三四点去买饭就不用排队！这也就解释了CPU为什么有运行队列，因为CPU只有一个，资源过少，每个进程想获取CPU就必须要排对，进程需要通过队列确认优先级去获得CPU的访问，如果我们电脑的CPU很多，那就不需要队列了，直接运行进程就行啦。

1.2.查看系统进程

我们先写一份上面的代码，然后执行一下，同时输入在右侧输入：ps -al

ps -al 是一个用于显示进程信息的命令，常用于Linux。下面是对该命令的解释：

• ps： 这是进程状态的缩写，是一个用于报告当前进程状态的命令。
• -a： 显示所有终端上的进程，而不仅仅是与当前用户相关的进程。
• -l： 以长格式显示输出。长格式包括更多的列，提供更详细的信息。

我们很容易注意到其中的几个重要信息，有下：

• 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

这里我就要插几句话啦！不要把优先级想象的特别复杂，它在sturck task_struct里面就是一个整型变量，而且上面我们观察到Linux下默认优先级是80，但是Linux的优先级是可以被修改的，但是Linux优先级是有区间的，其范围是[60,99]，一共40个。Linux优先级本质就是整型变量数字，数字越小，优先级越高！

1.3.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：PRI(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
• 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。

1.4.PRI vs NI

1. 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。
2. 可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据

1.5.用top命令更改已存在进程的nice：

       Linux系统允许用户调整优先级，但是不能直接让你修改PRI，而是通过修改nice值，它不是优先级，而是进程优先级的修正数据！现在我们来演示一下优先级的修改。

结果展示：

根据这个公式：PRI(new)=PRI(old)+nice，我们再恢复出原来的优先级

咦！这是什么情况！！！

nice值是通过覆盖式的写入的，但是我们的PRI不应该是80 = 90 + (-10)嘛，为什么是70呢？其实这是正常的，你想想如果我们的PRI是80，那我们的nice就是-10了，而其他进程nice值是0，这样系统的数据就不一致了，所以PRI在每一次设置的时候，PRI(old)都是80。

我们再来测试一下nice其取值范围

首先我们将nice值干到100。

然后我们将nice值干到-100。

总结：nice其取值范围是-20至19，一共40个级别，Linux优先级是有区间的，其范围是[60,99]，一共40个，两个相互对应。

提问：Linux为什么调整优先级是受收限制的？

       如果允许任意进程调整优先级，用户可能会将自己的进程提升到高优先级，自己的进程抢占系统资源，使其他进程无法正常运行，无法享受到CPU等其他资源，此时其他进程很难得到资源，此时就被称为进程饥饿问题。任何得分时操作系统，调度上，都要具有较为公平的进行调度，所以就要求优先级是受收限制的。

2.Linux的调度与切换

概念准备：

1. 进程在运行的时候，放在CPU上，必须直接把代码跑完，才行吗？？？不行，这很明显，如果我们写一个死循环的代码，那么CPU永远都跑不完，其他进程也就永远得不到调度，那么此时系统就卡死了。所以现代操作系统都是基于时间片轮转进行轮转执行的！！！  
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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

2.1.进程切换

我们可以在struct task_struct查看到这些硬件上下文。

所以进程切换的过程就是：进程在CPU上运行 -> 时间片用完，保存硬件上下文 -> 运行队列进程阻塞 ->时间片轮转到该进程，恢复硬件上下文。这也就是一个进程在CPU一整个周期的情况。

2.2.进程调度

前提：Linux实现进程调度算法需要考虑优先级，考虑饥饿，还要考虑效率。

上图是Linux2.6内核中进程队列的数据结构，我们先不看，后面我会基于上面的画一个。

2.2.1.一个CPU拥有一个runqueue

• 如果有多个CPU就要考虑进程个数的负载均衡问题

2.2.2.优先级

• 普通优先级适用于一般用户进程，它们不需要对实时性有极高的要求。这些进程的调度是基于时间片轮转的，并且由操作系统决定它们在CPU上运行的时间。普通优先级：100～139（我们都是普通的优先级，想想nice值的取值范围，可与之对应！）
• 实时优先级是为具有严格时间要求的任务设计的，这些任务需要在确定的时间内完成。实时优先级：0～99（不关心）

2.2.3.活动队列

• 时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列
• nr_active: 总共有多少个运行状态的进程
• queue[140]: 一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度,所以，数组下 标就是优先级！
• 从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢？

1. 从0下表开始遍历queue[140]

2. 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列

3. 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成！

4. 遍历queue[140]时间复杂度是常数！但还是太低效了！

• bitmap[5]:一共140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5*32个 比特位表示队列是否为空，这样，便可以大大提高查找效率！

2.2.4.过期队列

• 过期队列和活动队列结构一模一样
• 过期队列上放置的进程，都是时间片耗尽的进程
• 当活动队列上的进程都被处理完毕之后，对过期队列的进程进行时间片重新计算
• 如果我们的一个进程的时间片已经轮转完，它就应该从活跃队列中剥离出来，而成为新进程进入来过期队列中。

2.2.5.active指针和expired指针

• active指针永远指向活动队列
• expired指针永远指向过期队列
• 可是活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间片到期时一直都存在的。
• 没关系，在合适的时候，只要能够交换active指针和expired指针的内容，就相当于有具有了一批新的活动进程！

上图是Linux2.6内核中进程队列的数据结构，之间关系也已经给大家画出来，方便大家理解。

2.2.6.总结

       在系统当中查找一个最合适调度的进程的时间复杂度是一个常数，不随着进程增多而导致时间成本增 加，我们称之为进程调度O(1)算法！

补充：参考文档 

3.环境变量

3.1.mian参数 --- 命令行参数 --- 掌握

我们知道main函数是有形参的，只不过我们一直没有使用过，今天我们来看一下main函数的参数，看看main函数的参数是什么意思？它和密命令行参数有什么关系？

首先我们知道argv是一个指针数组，数组元素有argc个，它里面的元素类型都是char*的，而我们知道char*指向的是字符串的首地址，我们来看一下argv里面的每个char*都指向了那个字符串？

我们发现随之我们的程序执行，当我们以空格作为分隔符传入-a，-b，-c，程序按照空格为分隔符，依次传入一个一个子串到argv这个指针数组里面，同时每传入一个字串，argc的个数就会加一。现在我再来解释一下输出内容。

所以我们在命令行上输入以空格为分隔符输入的字符串，会被bash解析一个一个子串，维护成指针数组argv，同时还维护了一个计数器argc，只要是函数它就会被调用，main函数也不例外，main函数由系统调用，bash会把参数传入给main函数，所以我们的main函数就拿到了命令行上输入以空格为分隔符输入的字符串和计数器argc，然后就输出了上述的结果。整个传入main函数的参数我们可以称之为一张表，我们称之为命令行参数表，把这张表就传给当前进程，而且整张表必须以NULL为结尾。那么我们的程序还可以这样写：

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