一、优先级和进程优先级

1.1什么是优先级

优先级就是获取某种资源的先后顺序，比如打饭时排队：排队就是在确认优先级

1.2为什么要有优先级

本质上其实是目标资源相对于需求者来说比较少，如CPU，磁盘，显示器，键盘等相对于进程来说并不充足

1.3优先级与权限有类似的地方，他们的区别是什么

优先级：能使用资源，决定谁先谁后问题

权限：决定能不能使用资源的问题

1.4进程优先级与竞争性的体现

1.4.1进程优先级竞争的资源

优先级的存在是因为资源较少，需要排顺序来竞争资源分配，那么对于进程优先级来说竞争的资源是什么呢？

竞争的是CPU资源

1.4.2竞争性的体现

竞争性的原因：资源稀缺

系统中进程数目很多，但是CPU很少，进程之间就有了竞争属性

为了更高效地完成任务，更合理地竞争资源，便有了进程优先级

二、进程优先级是怎么实现的

2.1用户名和与之强相关的UID

2.1.1UID是什么

在Linux下，会为每个用户维护一个对应的UID整形值来代表用户名所对应地字符串

可以使用ls -n来查看

可以发现在-n选项下，用户名 my_normal对应的字符串被替换成了整数1000 

2.1.2为什么要有UID

UID标识了用户ID，代表进程是哪一个用户启动的

①Linux下一切皆文件，每个文件都会记录自己的拥有者，所属组以及对应的权限

②Linux下所有操作都是进程来完成，进程也属于文件，自然要记录“拥有者”，即：“谁（哪个用户）启动的我”

总而言之，进程通过记录“谁启动的我”来判断自身是否属于文件的拥有者/所属组，以此确定是否有权限进行一些操作，这就是权限控制实现的底层原理，也是UID的意义

2.2task_struct中优先级属性的实现原理

task_struct中的优先级属性是通过特定的几个int类型的变量来表示优先级的（优先级数字越小，代表优先级越高）

查看优先级：

可以通过ps -la指令查看所有自己创建的进程的详细信息，包括其优先级

其中：PRI和NI对应的就是优先级属性

PRI：最终优先级

NI：是nice（细微）的简写，代表优先级的修正数据

最终优先级=默认PRI（例子中为80）+NI

2.3如何修改进程优先级（注：此功能不是高频使用的，且不建议修改）

修改进程优先级使用的是top指令的一个功能：

进入top指令->输入r->输入PID->输入nice值

（注：OS禁止频繁修改优先级，同时UID对应用户没有权限的话也不允许修改）

原进程：

top的r功能：

 输入一个大于等于19的数，修改后：

再输入一个小于等于-20的数，触发OS保护机制，不允许连续修改进程优先级：

 切换为root账户再修改：

综上，NI值有范围限制，在[-20,19]之间 ，共40个数字

2.3补：为什么要把nice值设置在一个可控范围内？为什么是[-20,19]?

分时OS的进程调度需要遵循尽量公平的原则，如果有一个进程优先级特别高，会破坏这一公平性

2.4进程切换

2.4.1时间片的概念与时间片对于进程有什么影响

①时间片

Linux基于时间片进行轮转调度，一个进程的时间到了它的时间片，进程切换

②时间片对于进程的影响

时间片到了，这一进程并不一定跑完，因此进程需要保存自己的运行状态，在任何地方都可以被重新调度

2.4.2结合实际生活中的例子理解轮转调度

就像在学校转而去当兵入伍，确定入伍名额需要向学校申请保留学籍

退伍后，需要向学校申请恢复学籍

其中保留学籍的目的是留存历史的学习痕迹，保留不是目的，而是手段，未来的恢复才是目的

类比起来

①学生就像进程，CPU就像学校，部队就像OS中，在学校学习的时间就是时间片

②保留学籍就像保存上下文数据

③恢复学籍就像回复上下文数据

2.4.3切换过程和理解

①进程在运行的过程中，会有许多临时数据在CPU的寄存器中保存，CPU内部有多个寄存器，我们称之为“一套寄存器”

CPU如何得知当前运行到代码中哪一行了呢？

是依靠pc指针与ir指针：

磁盘中的代码和数据加载到内存中，在这段内存空间中，每一句代码都有自己的地址

此时的eip寄存器（又名pc指针，i是instruction的简写，意思为指令；p是point的简写，意思是指针）存储当前正在执行指令的下一条指令的地址

ir寄存器：指令寄存器，保存的是当前从内存加载到CPU中，正在执行的指令

②CPU内部寄存器中的一系列数据，是进程执行时的瞬时状态信息数据（又名上下文数据）

2.4.3补：寄存器！=寄存器里的上下文数据，还有其他内容

2.4.4进程切换的核心：上下文数据的保存和恢复

进程切换的核心就是进程上下文数据的保存和恢复，一个可执行程序开始运行的过程：

①pc中存main函数的地址，

②之后把执行加载到ir中，更新pc值

③ir将指令交给CPU中一个控制器来执行，执行结束进行下一行代码的读取

之后运行进程一的时间片，到时间后换到进程二，以此类推

假如这个过程不保护（不保存上下文数据）：

进程一运行结束，回到调度队列，CPU中pc指针读取了进程二的首语句，会把原来进程一的痕迹覆盖；下一次轮到进程一执行，找不到上次的痕迹，无法继续运行

则无法完成调度与切换

做保护：

会在CPU外的某个位置将进程一的上下文数据保存起来，再进行pc指针读取进程二首语句

进程切走：将相关寄存器数据保存起来

进程切回:将历史保存的寄存器数据恢复到寄存器中

2.4.5进程切换过程中，CPU寄存器被共享使用

每个进程都有自己的上下文数据，这些上下文数据需要加载到CPU寄存器内部来使用，而CPU寄存器只有一套，所以CPU被多个进程共享使用

2.4.6每个进程的上下文数据究竟存储在哪里

现在电脑对于进程上下文数据的保护体系已经十分完善了，涉及到多个位置

但我们可以理解为上下文数据保存在内存的PCB中

从源码中可以看出端倪：

在task_struct中有一个tss的定义,而它是这个：

 所以进程的上下文数据保存在任务状态段（TSS) 的结构体中