Linux内核进程管理与调度：策略优化与实践分析 _Linux

一、前言今天给大家上点硬货，关于linux的进程管理和调度是学习和理解Linux的必学知识。为协调多个进程 "同时" 运行，现代操作系统通常使用进程优先级这一基本手段。每个进程都有一个与之相关的优先级，如果有多个可执行的进程等待CPU资源，那么具有更高优先级的进程将优先被调度执行。今天就给大家讲解一下Linux内核中的进程管理和调度，文章内容较长，大家记得先赞后看。
二、进程管理和多进程调度2.1 进程标识符和控制块进程标识符是一个唯一的数字，表示每个运行的进程。在Linux中，进程ID（PID）通常从1开始自增。在系统中，内核会为每个进程维护一个数据结构，叫做进程控制块（PCB），也称作进程描述符。PCB存储了所有与进程有关的信息，包括进程的状态、PID、进程优先级、页表和资源使用情况的统计数据等等。
2.2 进程状态和转换在Linux中，每个进程都有一个状态机，它可以处于就绪态、运行态、阻塞态或者僵死态。其中:

就绪态：指一个进程已经准备好被分配CPU并开始执行了。
运行态：指正在占用CPU资源的当前进程。
阻塞态：指因为某些原因而被挂起、无法占用CPU资源的进程。
僵尸态：指此进程已结束，但是其父进程还未回收该进程的资源。

进程状态之间经常会发生改变。例如一个从阻塞状态变为就绪状态的进程，需要一个事件去释放阻塞，在这个时候进程的状态就会随之改变。

文章插图

2.3 进程间通信不同进程间需要进行信息交换和数据共享，因此Linux中提供了多种进程间通信机制，如管道（pipe）、消息队列、信号量、共享内存等。这些机制可以让进程安全地交换数据，并通过各种同步方式来协调不同进程的行为。
在Linux系统中，通过管道实现进程间通信时，发送者进程将数据放入管道缓冲区，接收者进程从该缓冲区读取数据。消息队列是一个消息赖容器，发送进程可以将数据放入容器中，并设置一个特定的类型，接收者进程则根据类型从容器中获取数据。共享内存允许不同的进程访问同一块物理内存，从而方便进程间共享数据。
三、单处理器下的Linux进程调度3.1 Linux进程调度器在Linux内核中，进程调度器（Scheduling Class）是负责选择下一个要被执行的进程的模块。Linux 2.6 内核中提供了 CFS（Completely Fair Scheduler）作为默认的进程调度算法。该算法将CPU公平地分配给所有“可运行”或者“准备运行”的进程。这意味着即使有一个长时间运行的进程，其他进程仍然可以获得足够的机会使用CPU 。
3.2 时间片轮转调度算法时间片轮转调度算法（Round Robin Scheduling）又称为循环赛制调度算法，是一种基于时间片的调度方法。在该算法中，操作系统将每个待执行的进程排列成一个队列，每个进程被分配一个固定大小的时间片，在时间片用完后，就将该进程放到队列的末尾，等待下一次调度。
轮转调度算法的特点是简单易实现，能够保证所有进程都有机会被调度执行。但是由于现代计算机的速度越来越快，时间片可能变得过小，导致过多的进程切换，影响CPU性能。
3.3 最短剩余时间优先调度算法在最短剩余时间优先调度算法（Shortest Remaining Time First）中，调度器会根据每个进程所需要的CPU运行时间来决定下一个调度哪个进程。如果当前正在运行的进程所需的时间比另一个就绪进程所需的时间更长，则抢占当前进程并将执行权转交给新进程。
这种方法可以确保每个进程都获得它所需的运行时间，但当有很多短进程时，长时间运行的进程可能会被明显忽略。即使使用这样的调度算法，也无法消除“饥饿”现象。具体而言，某些进程可能永远不会获得足够的CPU时间，在最坏情况下甚至可能对系统性能造成严重影响。
3.4 其他调度算法的不足时间片轮转调度算法和最短剩余时间优先调度算法的问题在于，它们都无法保证公平性，因此可能导致某些进程处于饥饿或拖延状态。此外，这些算法通常都是为单处理器设计的，无法充分利用现代计算机系统中的多核和多线程特性。看起来这两个算法的优缺点都比较明显，并且相互补充。因此，Linux进程管理和多进程调度需要其他更具有适应性的算法，比如可以基于线程数量或者负载平衡调度策略等。