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Linux是一個(gè)開(kāi)源的操作系統(tǒng)，它的核心部分是由C語(yǔ)言編寫(xiě)的，運(yùn)行在各種硬件設(shè)備上。在Linux中，等待隊(duì)列和完成量非常重要，它們對(duì)于進(jìn)程的掛起和喚醒，以及異步通信起著重要的作用。但是，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，它們不易理解，容易混淆。本文將深入剖析Linux等待隊(duì)列和完成量的區(qū)別，幫助大家更清楚地了解它們之間的差別，以及在程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。
1. 等待隊(duì)列
等待隊(duì)列是Linux中一種用來(lái)掛起進(jìn)程的機(jī)制，一般用于同步線程之間的數(shù)據(jù)交換。比如，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程需要訪問(wèn)共享資源時(shí)，如果該資源當(dāng)前正在被占用，則需要等待。這時(shí)，會(huì)把當(dāng)前進(jìn)程加入到等待隊(duì)列中，并掛起該進(jìn)程，直到資源被釋放。在Linux中，等待隊(duì)列可以是一個(gè)列表，也可以是一個(gè)數(shù)組，它們都是由等待隊(duì)列頭結(jié)構(gòu)等管理的。
等待隊(duì)列頭結(jié)構(gòu)包括了等待隊(duì)列中所有掛起的進(jìn)程，包括其線程ID和等待原因。同時(shí)，等待隊(duì)列頭結(jié)構(gòu)還包含了當(dāng)前掛起的進(jìn)程數(shù)量和信號(hào)量。在等待隊(duì)列頭結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)指針，指向喚醒所有進(jìn)程的函數(shù)。當(dāng)資源被釋放時(shí)，該函數(shù)將被調(diào)用，此時(shí)等待隊(duì)列中的所有進(jìn)程都將被喚醒。
在Linux中，等待隊(duì)列是實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間同步的重要手段。在多線程的環(huán)境下，等待隊(duì)列可以有效地防止資源的競(jìng)爭(zhēng)，提高了程序的效率。
2. 完成量
完成量是Linux中用于異步通信的機(jī)制，它可以在數(shù)據(jù)處理完畢后，通知等待者已經(jīng)完成。在Linux中，完成量可以看成是一種與信號(hào)量相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在某些情況下，完成量可以替代信號(hào)量的使用。
完成量通過(guò)原子操作實(shí)現(xiàn)，它不僅可以與其他進(jìn)程通信，還能與硬件設(shè)備通信。在Linux中，硬件設(shè)備可以發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，該信號(hào)會(huì)觸發(fā)一個(gè)中斷服務(wù)例程，中斷服務(wù)例程可以通過(guò)完成量來(lái)通知進(jìn)程，已經(jīng)處理完畢。
在Linux中，完成量可以作為一種同步機(jī)制，它可以實(shí)現(xiàn)等待者與處理者之間的同步，提高系統(tǒng)的處理能力。同時(shí)，完成量還可以作為一種異步通信機(jī)制，用于在不同的進(jìn)程之間進(jìn)行通信。
3. 等待隊(duì)列與完成量的區(qū)別
在Linux中，等待隊(duì)列和完成量都是用來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間同步和異步通信的機(jī)制。它們之間的主要區(qū)別在于：
（1）等待隊(duì)列用于掛起一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程，并在資源可用時(shí)喚醒它們。而完成量則用于異步通信，在數(shù)據(jù)處理完畢后，通知等待者已經(jīng)完成。
（2）等待隊(duì)列可以防止資源的競(jìng)爭(zhēng)，提高程序的效率；而完成量則可以實(shí)現(xiàn)等待者和處理者之間的同步和異步通信。
（3）等待隊(duì)列是一種在時(shí)間上長(zhǎng)時(shí)間等待的機(jī)制，而完成量則是在時(shí)間上短時(shí)間等待的機(jī)制。
等待隊(duì)列和完成量都是Unix/Linux操作系統(tǒng)中非常重要的機(jī)制，它們可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步和異步通信，有助于提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和處理能力。在程序設(shè)計(jì)中，正確理解等待隊(duì)列和完成量的區(qū)別，能幫助我們更好地利用這兩種機(jī)制，從而設(shè)計(jì)出更高效、更可靠的程序。
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Linux系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度
Linux進(jìn)程調(diào)度
1．調(diào)度方式
Linux系統(tǒng)的調(diào)度方式基本上采用“
搶占式優(yōu)先級(jí)
”方式，當(dāng)進(jìn)程在用戶模式下運(yùn)行時(shí)，不管它是否自愿，核心在一定條件下（如該進(jìn)程的時(shí)間片用完或等待I/O）可以暫時(shí)中止其運(yùn)行，而調(diào)度其他進(jìn)程運(yùn)行。一旦進(jìn)程切換到內(nèi)核模式下運(yùn)行時(shí)，就不受以上限制，而一直運(yùn)行下去，僅在重新回到用戶模式之前才會(huì)發(fā)生進(jìn)程調(diào)度。
Linux系統(tǒng)中的調(diào)度基本上繼承了UNIX系統(tǒng)的
以優(yōu)先級(jí)為基礎(chǔ)
的調(diào)度。也就是說(shuō)，兆答核心為系統(tǒng)中每個(gè)進(jìn)程計(jì)算出一個(gè)優(yōu)先級(jí)，該優(yōu)先級(jí)反映了一個(gè)進(jìn)程獲得CPU使用權(quán)的資格，即高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程優(yōu)先得到運(yùn)行。核心從進(jìn)程就緒隊(duì)列中挑選一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程，為其分配一個(gè)CPU時(shí)間片，令其投入運(yùn)行。在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)前進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)隨時(shí)間喊悄遞減，這樣就實(shí)現(xiàn)了“負(fù)反饋”作用，即經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，原來(lái)級(jí)別較低的進(jìn)程就相對(duì)“提升”了級(jí)別，從而有機(jī)會(huì)得到運(yùn)行。當(dāng)所有進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)都變?yōu)?（更低）時(shí)，就重新計(jì)算一次所有進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。
2．調(diào)度策略
Linux系統(tǒng)針對(duì)不同類別的進(jìn)程提供了3種不同的調(diào)度策略，即SCHED_FIFO、SCHED_RR及SCHED_OTHER。其中，SCHED_FIFO適合于
短實(shí)時(shí)進(jìn)程
，它們對(duì)時(shí)間性要求比較強(qiáng)，而每次運(yùn)行所需的時(shí)間比較短。一旦這種進(jìn)程被調(diào)度且開(kāi)始運(yùn)行，就一直運(yùn)行到自愿讓出CPU或被優(yōu)先級(jí)更高的進(jìn)程搶占其執(zhí)行權(quán)為止。
SCHED_RR對(duì)應(yīng)“時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法”，適合于每次運(yùn)行需要
較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)進(jìn)程
。一個(gè)運(yùn)行進(jìn)程分配一個(gè)時(shí)間片（200 ms），當(dāng)時(shí)間片用完后，CPU被另外進(jìn)程搶占，而該進(jìn)程被送回相同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的末尾，核心動(dòng)態(tài)調(diào)整用戶態(tài)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。這樣，一個(gè)進(jìn)程從創(chuàng)建到完成任務(wù)后終止，需要經(jīng)歷多次反饋循環(huán)。當(dāng)進(jìn)程再次被調(diào)度運(yùn)行時(shí)，它就從上次斷點(diǎn)處開(kāi)始繼續(xù)執(zhí)行。
SCHED_OTHER是傳統(tǒng)的UNIX調(diào)度策略，適合于交互式的
分時(shí)進(jìn)程
。這類進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)取決于兩個(gè)因素：一個(gè)是進(jìn)程剩余時(shí)間配額，如果進(jìn)程用完了配給的時(shí)間，則相應(yīng)優(yōu)先級(jí)降到0；另一個(gè)是進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)nice，這是從UNIX系統(tǒng)沿襲下來(lái)的方法，優(yōu)先數(shù)越小，其優(yōu)先級(jí)越高。nice的取值范圍是-20 19。用戶可以利用nice命令設(shè)定進(jìn)程的nice值。但一般用戶只能設(shè)定正值，從而主動(dòng)降低其優(yōu)先級(jí)；只有特權(quán)用戶才能把nice的值設(shè)置為負(fù)數(shù)。進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)就是以上二者之和。
后臺(tái)命令對(duì)應(yīng)后臺(tái)進(jìn)程（又稱后臺(tái)作業(yè)）。后臺(tái)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)低于任何交互（前臺(tái)）進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。所以，只有當(dāng)系統(tǒng)中當(dāng)前不存在可運(yùn)行的交互進(jìn)程時(shí)，才調(diào)度后臺(tái)進(jìn)程運(yùn)行。后臺(tái)進(jìn)程往往按批處理方式調(diào)鄭猜渣度運(yùn)行。
3．調(diào)度時(shí)機(jī)
核心進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度的時(shí)機(jī)有以下5種情況：
（1）當(dāng)前進(jìn)程調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用nanosleep( )或者pause( )，使自己進(jìn)入睡眠狀態(tài)，主動(dòng)讓出一段時(shí)間的CPU的使用權(quán)。
（2）進(jìn)程終止，永久地放棄對(duì)CPU的使用。
（3）在時(shí)鐘中斷處理程序執(zhí)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前進(jìn)程連續(xù)運(yùn)行的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
（4）當(dāng)喚醒一個(gè)睡眠進(jìn)程時(shí)，發(fā)現(xiàn)被喚醒的進(jìn)程比當(dāng)前進(jìn)程更有資格運(yùn)行。
（5）一個(gè)進(jìn)程通過(guò)執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用來(lái)改變調(diào)度策略或者降低自身的優(yōu)先級(jí)（如nice命令），從而引起立即調(diào)度。
4．調(diào)度算法
進(jìn)程調(diào)度的算法應(yīng)該比較簡(jiǎn)單，以便減少頻繁調(diào)度時(shí)的系統(tǒng)開(kāi)銷。Linux執(zhí)行進(jìn)程調(diào)度時(shí)，首先查找所有在就緒隊(duì)列中的進(jìn)程，從中選出優(yōu)先級(jí)更高且在內(nèi)存的一個(gè)進(jìn)程。如果隊(duì)列中有實(shí)時(shí)進(jìn)程，那么實(shí)時(shí)進(jìn)程將優(yōu)先運(yùn)行。如果最需要運(yùn)行的進(jìn)程不是當(dāng)前進(jìn)程，那么當(dāng)前進(jìn)程就被掛起，并且保存它的現(xiàn)場(chǎng)—— 所涉及的一切機(jī)器狀態(tài)，包括程序計(jì)數(shù)器和CPU寄存器等，然后為選中的進(jìn)程恢復(fù)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)。
（二）Linux常用調(diào)度命令
· nohup命令
nohup命令的功能是以忽略掛起和退出的方式執(zhí)行指定的命令。其命令格式是：
nohup command?。踑rguments］
其中，command是所要執(zhí)行的命令，arguments是指定命令的參數(shù)。
nohup命令告訴系統(tǒng)，command所代表的命令在執(zhí)行過(guò)程中不受任何結(jié)束運(yùn)行的信號(hào)（hangup和quit）的影響。例如，
$ nohup find / -name exam.txt -print>f1 &
find命令在后臺(tái)運(yùn)行。在用戶注銷后，它會(huì)繼續(xù)運(yùn)行：從根目錄開(kāi)始，查找名字是exam.txt的文件，結(jié)果被定向到文件f1中。
如果用戶沒(méi)有對(duì)輸出進(jìn)行重定向，則輸出被附加到當(dāng)前目錄的nohup.out文件中。如果用戶在當(dāng)前目錄中不具備寫(xiě)權(quán)限，則輸出被定向到$HOME/nohup.out 中。
· at命令
at命令允許指定命令執(zhí)行的時(shí)間。at命令的常用形式是：
at time command
其中，time是指定命令command在將來(lái)執(zhí)行時(shí)的時(shí)間和日期。時(shí)間的指定方法有多種，用戶可以使用絕對(duì)時(shí)間，也可以用相對(duì)時(shí)間。該指定命令將以作業(yè)形式在后臺(tái)運(yùn)行。例如：
$ at 15:00 Oct 20
回車后進(jìn)入接收方式，接著鍵入以下命令：
mail -s “Happy Birthday!” liuzheny
按下D鍵，屏幕顯示：
job.a at Wed Oct 20 15:00:00 CST
$
表明建立了一個(gè)作業(yè)，其作業(yè)ID號(hào)是.a，運(yùn)行作業(yè)的時(shí)間是1999年10月20日下午3:00，給liuzheny發(fā)一條標(biāo)題為“Happy Birthday！”（生日快樂(lè)）的空白郵件。
利用 at -l 可以列出當(dāng)前at隊(duì)列中所有的作業(yè)。
利用 at -r 可以刪除指定的作業(yè)。這些作業(yè)以前由at或batch命令調(diào)度。例如，
at -r.a
將刪除作業(yè)ID號(hào)是.a的作業(yè)。其一般使用形式是：
at -r job_id
注意，結(jié)尾是.a的作業(yè)ID號(hào)，表示這個(gè)作業(yè)是由at命令提交的；結(jié)尾是.b的作業(yè)ID號(hào)，表示這個(gè)作業(yè)是由batch命令提交的。
· batch命令
batch命令不帶任何參數(shù)，它提交的作業(yè)的優(yōu)先級(jí)比at命令提交的作業(yè)的優(yōu)先級(jí)低。batch無(wú)法指定作業(yè)運(yùn)行的時(shí)間。實(shí)際運(yùn)行時(shí)間要看系統(tǒng)中已經(jīng)提交的作業(yè)數(shù)量。如果系統(tǒng)中優(yōu)先級(jí)較高的作業(yè)比較多，那么，batch提交的作業(yè)則需要等待；如果系統(tǒng)空閑，則運(yùn)行batch提交的作業(yè)。例如，
$ batch
回車后進(jìn)入接收方式，接著鍵入命令：
find / -name exam.txt -print
按下D。退出接收方式，屏幕顯示：
job.b at Thu Nov 18 14:30:00 CST
表示find命令被batch作為一個(gè)作業(yè)提交給系統(tǒng)，作業(yè)ID號(hào)是.b。如果系統(tǒng)當(dāng)前空閑，這個(gè)作業(yè)被立即執(zhí)行，其結(jié)果同樣作為郵件發(fā)送給用戶。
· jobs命令
jobs命令用來(lái)顯示當(dāng)前shell下正在運(yùn)行哪些作業(yè)（即后臺(tái)作業(yè)）。例如：
$ jobs
+ Running tar tv3 *&
– Running find / -name README -print > logfile &
$
其中，之一列方括號(hào)中的數(shù)字表示作業(yè)序號(hào)，它是由當(dāng)前運(yùn)行的shell分配的，而不是由操作系統(tǒng)統(tǒng)一分配的。在當(dāng)前shell環(huán)境下，之一個(gè)后臺(tái)作業(yè)的作業(yè)號(hào)為1，第二個(gè)作業(yè)的作業(yè)號(hào)為2，等等。
第二列中的“ ”號(hào)表示相應(yīng)作業(yè)的優(yōu)先級(jí)比“－”號(hào)對(duì)應(yīng)作業(yè)的優(yōu)先級(jí)高。
第三列表明作業(yè)狀態(tài)，是否為運(yùn)行、中斷、等待輸入或停止等。
最后列出的是創(chuàng)建當(dāng)前這個(gè)作業(yè)所對(duì)應(yīng)的命令行。
利用 jobs -l 形式，可以在作業(yè)號(hào)后顯示出相應(yīng)進(jìn)程的PID。如果想只顯示相應(yīng)進(jìn)程的PID，不顯示其它信息，則使用 jobs -p 形式。
· fg命令
fg命令把指定的后臺(tái)作業(yè)移到前臺(tái)。其使用格式是：
fg
其中，參數(shù)job是一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程的PID，或者是命令名稱或者作業(yè)號(hào)（前面要帶有一個(gè)“%”號(hào)）。例如：
$ jobs
+ Running tar tv3 *&
– Running find / -name README -print > logfile&
$ fg %find
find / -name README -print > logfile
注意，顯示的命令行末尾沒(méi)有“&”符號(hào)。下面命令能產(chǎn)生同樣的效果：
$ fg %1
這樣，find命令對(duì)應(yīng)的進(jìn)程就在前臺(tái)執(zhí)行。當(dāng)后臺(tái)只有一個(gè)作業(yè)時(shí)，鍵入不帶參數(shù)的fg命令，就能使相應(yīng)進(jìn)程移到前臺(tái)。當(dāng)有兩個(gè)或更多的后臺(tái)作業(yè)時(shí)，鍵入不帶參數(shù)的fg，就把最后進(jìn)入后臺(tái)的進(jìn)程首先移到前臺(tái)。
· bg命令
bg命令可以把前臺(tái)進(jìn)程換到后臺(tái)執(zhí)行。其使用格式是：
bg
其中，job是一個(gè)或多個(gè)進(jìn)程的PID、命令名稱或者作業(yè)號(hào)，在參數(shù)前要帶“%”號(hào)。例如，在cc（C編譯命令）命令執(zhí)行過(guò)程中，按下Z鍵，使這個(gè)作業(yè)掛起。然后鍵入以下命令：
$ bg %cc
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