【Linux我做主】进程优先级

进程优先级

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0. 前言

Linux中的PCB既可以放在多叉树中，也可以放在双向链表中，又可以放在队列或哈希表中。进程的优先级与调度有关

在 Linux 世界中，进程的调度如同一场没有硝烟的竞赛。每一个进程都希望抢占到更多的 CPU时间片，以便更快地完成自己的使命。而谁能先一步被调度执行，背后正是“进程优先级”在发挥着关键作用。

​ 在操作系统调度器的眼中，所有进程表面上被一视同仁，实则暗藏玄机：不同的优先级设定，决定了哪些进程能脱颖而出、率先登场。就像现实社会中有紧急任务、有普通事务，计算机系统也需要一套“轻重缓急”的调度准则，保证整体运行的效率与公平。

​ 本篇博客将从最基础的概念入手，带你深入理解 Linux 中的进程优先级设计哲学、关键参数（如 nice 值与 PRI）、调度器背后的权衡机制，乃至于如何通过命令行手动干预进程优先级，帮助你在系统层面更高效地掌控进程行为！

1. 优先级是什么

优先级 VS 权限

• 优先级：对于资源的访问，优先级决定谁先访问，谁后访问。谈优先级时，代表已经有了访问资源的资格。
• 权限：权限代表对于某种资源，有没有资格访问。

2. 为什么要有进程优先级

• CPU只有一个，而进程有很多个。资源是有限的，进程之间是竞争关系。多个进程之间注定会竞争CPU资源
• 操作系统是公平的进程调度者，为了保证进程之间良性竞争CPU资源，必须给每个进程确认优先级

进程的饥饿问题：

• 如果进程的优先级或进程调度算法设置的不合理，会导致某个进程长时间得不到CPU资源，该进程的代码长时间无法得到推进，就引起了该进程的饥饿问题。
  • 饥饿问题在windows下的具体表现为：某个程序卡死了无法响应。

3. Linux中进程的优先级

1. 查看进程的优先级

命令： ps -l 或 ps -al

• ps -l 只会显示在当前bash终端下运行的进程
• ps -al会显示在所有bash终端下运行的进程

2. 关键信息

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
  • Linux中是用数字来表示用户的，也就是UID。ls -n选项可以显示用户的UID
  • 
• 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，表示进程优先级的修正数据
• 注意关键数据PRI和NI
  • NI（nice）的存在表明Linux中进程的优先级是可以更改的，启动前启动中都可以更改。改的时候改的是NI的值

3. 进程优先级的范围和调整

范围：

我们知道优先级可以被调整！那我们可以大幅度的修改nice值，来大幅度提高我们进程的优先级，来达到让我们的进程几乎一直再被调度的目的吗？

Linux中不可以！

Linux中的调度器是为了尽可能公平的调度每个进程，不想过多的让用户参与优先级的调整。

PRI and NI

• PRI：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
• NI：即nice值，其表示进程可被执行的优先级的修正数值

Linux中进程的优先级的算法为：PRI(new)=PRI(old)+nice，PRI值越小，该进程的优先级越高，越快被执行。

用户无法直接修改PRI的值，但可以通过修改nice值，间接修改PRI的值

• 当nice值为负值的时候，该程序优先级值将变小，即其优先级会变高，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

Linux中的调度器是为了尽可能公平的调度每个进程，不想过多的让用户参与优先级的调整。因此Linux为nice值设定了一个调整范围：

• nice其取值范围是负20至19，优先级一共40个等级。[-20, 19]

• Ubuntu22.04中进程的优先级初始为20，因此进程优先级的范围为0至39。[0, 39]

调整：

首先：所有进程的优先级，一般不要轻易更改！

命令：

nice：nice [-n NI值] 命令。

• -n NI值：给命令赋予 NI 值，该值的范围为 -20~19

例如：nice常用于在进程启动前设置其优先级

• nice -n -5 service httpd start：该命令将service httpd start该httpd进程的nice值设置成-5，再根据计算公式可以计算出相应的优先级。

renice： renice [优先级] PID

同 nice 命令恰恰相反，renice 命令可以在进程运行时修改其 NI 值，从而调整优先级。此命令中使用的是进程的 PID 号，因此常与 ps 等命令配合使用

使用top命令更改进程的优先级：

• 步骤：

1. 切换为root用户或使用sudo top命令提权输入top命令回车运行
2. 进入top页面后输入r
3. 输入要修改优先级的进程的PID
4. 再输入要更改的nice值。

可以看到以普通用户进行修改时，权限被拒绝了。

• 需要注意的是，Linux中进程的优先级的算法为：PRI(new)=PRI(old)+nice。

• 此处的PRI(old)是一个固定的值，Ubuntu22.04中是20，CentOS 7中是80。

• 每次调整优先级时，只需要让固定值（Ubuntu22.04中是20，CentOS 7中是80）加上新的nice值，即可得到新的优先级。

4. 进程相关概念总结

竞争性

• 系统进程数目众多，而CPU资源以及其他硬件只有少量，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

独立性

• 定义：多个进程在运行时拥有独立的地址空间和资源，独享各种资源，多进程运行期间互不干扰的特性

并行

• 定义：多个进程在多个CPU或物理核心上同时执行的现象，是物理层面的真正同步运行

并发

进程并发是指在同一时间段内，多个进程被操作系统调度并交替执行的能力

• 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，让多个进程的代码都得以推进，称之为并发执行

由于CPU运行的速度极快，即使CPU多次切换，我们运行的多个进程也不会觉得卡顿

基于进程切换基于时间片轮转的调度算法实现并发：

• 时间段内的多任务处理
  • 并发强调在​​一个时间段内​​（而非同一时刻）有多个进程处于运行状态，操作系统通过时间片轮转（Time Slicing）在进程间快速切换，使它们交替执行。
    • 例如：单核CPU上同时运行浏览器和音乐播放器，用户感知二者“同时工作”，实际是CPU在毫秒级切换进程。
• 依赖CPU调度
  Linux内核的进程调度器负责分配CPU时间片，根据优先级、状态等属性决定进程执行顺序，无需多核硬件支持。

0. 两个问题

1. 函数调用后，函数内定义的都是局部变量，return时也是局部变量，return时，为什么返回值会被外部拿到呢？

• 外部是通过寄存器拿到函数return的数据的，具体是哪个寄存器由编译器决定

• return ret会被翻译成mov eax, 10(假设ret的值为10)等类似的汇编语句，通过mov指令将返回值存放在寄存器中

2. 计算机如何知道我们的进程当前执行到哪一行代码了？下一行该执行哪行代码？

• CPU内部有一个寄存器：指令指针寄存器（PC指针），也被称为程序计数器或eip寄存器。
  • PC指针寄存器：记录当前进程正在执行指令的下一行指令的地址。

CPU内部有很多寄存器，寄存器在CPU中扮演什么角色呢？

寄存器是最靠近CPU的存储器，存取数据的速度极快。将数据放入寄存器中，主要目的就是为了提高存取效率。

为了提高进程的效率，进程的一些高频数据会被放入寄存器中。

保存在CPU寄存器内部的、进程相关的临时高频数据，被称为进程的上下文

暂时认为进程的上下文数据被保存到了PCB中即可。但实际上因为保存到PCB中(内存级别)速度相较于太慢了，操作系统会有自己的硬件级别的做法。

1. 进程的上下文数据

定义：进程的上下文数据（Context Data）是描述进程执行环境的完整状态信息集合，用于在进程被切换出CPU时保存其运行现场，确保恢复时能继续执行。
​​核心组成包括​​（按层次划分）：

• 用户级上下文：用户空间的代码段、数据段、用户栈及共享内存区域。
• 寄存器上下文：
  • 程序计数器（PC）：存储下一条待执行指令地址。
  • 栈指针（SP）：指向当前栈顶位置。
  • 状态寄存器（PSW/EFLAGS）：记录CPU状态（如中断屏蔽位）。
  • 通用寄存器（EAX、EBX等）：存储临时计算数据。
• 系统级上下文：
  • 进程控制块（PCB/task_struct）：包含进程ID、优先级、资源使用等元数据。
  • 内存管理信息：页全局目录（PGD）、页表项（PTE）等虚拟地址映射数据。
  • 内核栈：内核态函数调用的栈空间。

作用：上下文数据是进程暂停和恢复的“快照”，例如时间片耗尽时保存寄存器值，待重新调度时恢复现场。

2. 进程切换

定义：进程切换是操作系统在多任务环境下将CPU使用权从当前运行进程转移到另一待运行进程的过程。其本质是上下文数据的保存与恢复，以实现进程的并发执行。

进程再从CPU上离开时，要将自己的上下文数据保存好甚至带走。保存的目的，未来都是为了恢复

​​触发条件/发生情景​​：

• 时间片耗尽（分时调度）。
• 进程主动阻塞（如I/O请求）。
• 高优先级进程抢占。
• 进程结束运行。

发生进程切换时会有：

1. 保存上下文
2. 恢复上下文

3. Linux中进程切换的步骤

进程切换需在内核态完成，分为以下阶段：

1. 保存当前进程上下文：
   • 将CPU寄存器（PC、SP、通用寄存器等）保存到当前进程的PCB（如task_struct->thread.cpu_context）。
   • 内核栈指针等状态同步更新至PCB。
2. 选择下一个进程：
   • 调度器根据算法（如时间片轮转、优先级）从就绪队列选取目标进程。
3. 地址空间切换：
   • 更新页表基址寄存器（如ARM64的TTBR0_EL1），指向新进程的页全局目录（PGD）。
   • 清空TLB或使用ASID（地址空间标识符）避免缓存冲突。
4. 恢复新进程上下文：
   • 从新进程的PCB中加载寄存器值（PC、SP等）到CPU。
   • 切换内核栈，将执行流跳转到新进程被中断的指令地址（通过ret指令实现）。
5. 更新运行状态：
   • 新进程状态从就绪态（Ready）转为运行态（Running），旧进程可能进入阻塞或就绪队列。

4. 总结

• 上下文数据是进程的“执行快照”，包含用户/寄存器/系统级信息。
• 进程切换是CPU使用权的转移，依赖上下文保存与恢复机制。
• 切换步骤的核心是地址空间更新（页表切换）和硬件状态恢复（寄存器加载）。
  这一机制使得单核CPU可通过快速切换（毫秒级）实现多进程并发执行的假象，而多核CPU可真正并行。

5. 结语

“优先级”不仅是操作系统中的一个参数，更是一种资源调配的智慧。

​ 通过本文的学习，我们了解到在多任务操作系统中，优先级机制如何协调有限资源与无限任务之间的矛盾。无论是 nice 的细致调控，还是进程切换的幕后机制，都体现了 Linux 内核“公平而高效”的设计理念。

​ 进程优先级并非洪水猛兽，也不是一成不变的设定，而是一个可以精细调整的工具。理解它、掌握它，便能更好地优化系统性能，排查卡顿问题，甚至打造属于你自己的系统调度策略。

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