进程调度的艺术：从概念本质到 Linux 内核实现
前言
当我们在电脑上同时打开浏览器、编辑器和音乐播放器时，操作系统如何让这些程序 “和平共处”，既不卡顿又能响应及时？这背后的核心逻辑，正是进程调度 —— 一套决定 “谁先使用 CPU、用多久、如何切换” 的精密规则。
本文将沿着 “概念→实践→内核实现” 的脉络，拆解进程调度的核心知识：从最基础的 “孤儿进程如何被系统收养”，到 “进程优先级（PRI 与 NI）如何影响 CPU 分配”；从如何通过命令查看系统进程的 UID 和状态，到深入理解 “竞争、独立、并行、并发” 这些描述进程关系的关键概念。我们还会剖析进程切换的底层逻辑 —— 为何切换需要保存上下文？切换的成本在哪里？最终，将目光聚焦于 Linux 内核的真实调度算法，解析活动队列、过期队列以及 active/expired 指针如何协作，实现高效的进程调度。
无论你是想搞懂 “为什么调整 NI 值能让程序跑得更快”，还是想理解 “Linux 如何在千差万别的进程中分配资源”，这篇文章都将带你从表象到本质，看透进程调度的 “套路” 与 “智慧”。
目录
孤儿进程
进程优先级
概念理解
查看系统进程
UID：user id
PRI and NI
调整优先级
补充：竞争，独立，并行，并发
进程切换
前提引入
切换理解
进程切换
Linux真实调度算法
结构
活动队列
过期队列
active指针和expired指针
孤儿进程
父子进程关系中，如果父进程先退出，子进程要被1号init/systemd进程领养，这个被领养的进程（子进程），叫做孤儿进程。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{pid_t id = fork();if(id < 0){perror("fork");return 1;
}
else if(id == 0){//childprintf("I am child, pid : %d\n", getpid());sleep(10);
}
else{//parentprintf("I am parent, pid: %d\n", getpid());sleep(3);exit(0);
}return 0;
}
会发现子进程2140723变成孤儿进程了，被1号领养
1号进程是谁呢？可以理解是我们的操作系统
在 Linux 系统中，1 号进程是初始化进程（init 进程），它是系统启动后创建的第一个用户态进程，是所有其他进程的 “祖先”，在进程树中处于根节点位置。
为什么要领养？
如果不被领养，就会进入僵尸状态，就会造成内存泄漏。
孤儿进程因父进程退出而被 1 号进程收养，通常在后台运行，且 若其未自行终止，确实需要通过 kill 等命令手动终止。这一特性也体现了 1 号进程的 “管家” 职责 —— 仅负责回收资源，不主动干预孤儿进程的运行逻辑，因此终止孤儿进程的主动权仍在用户手中。
进程优先级
概念理解
是什么？为什么？
优先级是进程得到CPU资源的先后顺序。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。
目标资源稀缺，导致通过优先级确认谁先谁后的问题。
查看系统进程
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：代表进程的优先级，值越小越被执行，默认：80
NI：代表优先级的修正数据，nice值
进程真实的优先级=PRI(默认)+NI
UID：user id
系统怎么知道我访问文件的时候，是拥有者，所属组还是other?
进程拿着UID和文件的UID进行对比。
LInux系统中，访问任何资源，都是进程访问，进程就代表用户。
PRI and NI
优先级设立不合理，会导致优先级低的进程，长时间得不到CPU资源，进而导致：进程饥饿。
调整优先级
优先级不能随便修改，所以第二次修改我们用root，当我们将nice值设为-10时，是接着上次的90基础上进行变化吗？
显然从结果来看不是的，每次调整都是从默认值上调整的。
补充：
nice 命令：启动进程时设置优先级
用于在启动新进程时指定其 nice 值，语法：
nice [选项] [nice值] 命令
# 以默认优先级（0）启动程序（等价于直接运行 ./test）
nice ./test# 以低优先级（nice 值 10）启动程序
nice -n 10 ./test# root 用户以高优先级（nice 值 -5）启动程序
sudo nice -n -5 ./test
- 选项
-n用于指定 nice 值（可省略，直接写nice 10 ./test）。 - 普通用户若尝试设置负的 nice 值，会被拒绝（权限不足）。
renice 命令：调整已运行进程的优先级
用于修改正在运行的进程的 nice 值，语法：
renice [nice值] -p [进程PID]
# 先查看进程 PID（假设 test 进程的 PID 是 12345）
ps -ef | grep test# 将 PID 为 12345 的进程 nice 值改为 5
renice 5 -p 12345# root 用户将进程 nice 值改为 -3（提高优先级）
sudo renice -3 -p 12345
- 选项
-p用于指定进程 PID（必须指定）。 - 若要调整多个进程，可同时指定多个 PID（如
renice 10 -p 123 456）。
补充：竞争，独立，并行，并发
进程切换
前提引入
死循环进程如何运行？
一旦一个进程占有CPU，会把自己的代码跑完吗？不会，除非很短。 系统会给进程分配一个时间片的东西。
对于死循环进程，不会打死系统，不会一直占用CPU。
CPU and 寄存器
CPU里面有很多个寄存器，寄存器用于临时存放进程执行过程中的关键数据。
- 程序计数器（PC）：记录下一条要执行的指令地址（进程 “当前运行位置” 的标记）。
- 通用寄存器：存放算术运算、逻辑操作的临时结果（如
a + b的中间值）。 - 状态寄存器（FLAGS）：记录指令执行后的状态（如是否溢出、是否为零）。
- 栈指针（SP）：指向当前进程的栈顶位置，用于函数调用时的参数传递和返回地址存储。
这些数据是进程 “运行状态” 的直接体现 —— 离开它们，CPU 无法继续执行进程。
结论：1. 寄存器就是CPU内部的临时空间！ 2. 寄存器！= 寄存器里面的数据。
切换理解
进程切换小故事
在校大学生小胡想要去当兵，首先通知学校，得去跟辅导员宝报备，当兵一年回来继续学习，需要保留学籍，辅导员给了小胡一份档案，里面记录了小胡的信息，学校一份，给了小胡一份，当兵回来之后，需要恢复学籍，然后辅导员根据上次离开的学习信息，继续给小胡安排。
学校--CPU 导员--调度器 小胡--进程 学籍--进程运行的临时数据，CPU寄存器里面的内容（当前进程上下文数据）
保留学籍--保存进程上下文数据，CPU内寄存器里面的内容，保存起来。
恢复学籍--恢复进程上下文数据，保存起来，恢复到CPU内寄存器里
当兵--进程从CPU剥离出来
| 现实场景（小胡当兵） | 操作系统概念（进程调度） | 核心逻辑一致点 |
|---|---|---|
| 学校 | CPU | 是 “运行” 的核心载体（学校是学习的场所，CPU 是进程执行的硬件载体）。 |
| 辅导员 | 调度器（Scheduler） | 负责 “安排谁在什么时候使用核心资源”（辅导员安排学生的学习 / 当兵时间，调度器安排进程使用 CPU）。 |
| 小胡 | 进程（Process） | 是 “被管理的主体”（小胡是学校管理的学生，进程是操作系统管理的执行单元）。 |
| 学籍信息（当前课程、进度） | 进程上下文（CPU 寄存器数据、PC 指针、栈信息等） | 是 “主体当前状态的记录”（学籍记录学习进度，上下文记录进程执行到哪一步、临时数据是什么）。 |
| 保留学籍 | 保存上下文（Context Save） | 暂时离开核心载体时，必须保存当前状态（小胡当兵前存档，进程被切换前保存寄存器数据到 PCB）。 |
| 恢复学籍 | 恢复上下文（Context Restore） | 回到核心载体时，需加载之前的状态（小胡返校后接着上学，进程被调度时从 PCB 加载寄存器数据到 CPU）。 |
| 当兵期间 | 进程被剥夺 CPU 使用权（进入阻塞 / 就绪态） | 暂时脱离核心载体，不占用资源但状态被保留（小胡不在学校，进程不在 CPU 上运行）。 |
| 返校继续学习 | 进程被调度到 CPU 运行（进入运行态） | 重新获得核心载体的使用权，基于之前的状态继续推进（小胡接着上之前的课，进程接着执行之前的指令）。 |
相当于进程的一次切换
进程切换
进程切换，最核心的，就是保存和恢复当前进程的硬件上下文的数据，即CPU内寄存器的内容！！！
故引出新的问题，1. 所以当前进程要把自己的进程硬件上下文数据保存起来，保存到哪里？
保存到进程的task_struct里面,TSS --任务状态段
2. 全新的进程VS已经调度过的进程
在task_struct增加一个标记位来表示进程是否调度，全新设置为0.
Linux真实调度算法
调度和切换构成了调度器
结构
Linux2.6内核进程O(1)调度队列
活动队列
过期队列
active指针和expired指针
结束语
进程调度看似是 “分配 CPU 时间” 的简单问题，实则是操作系统对 “效率与公平” 的永恒权衡。从孤儿进程被 1 号进程收养的设计，到 PRI 与 NI 共同决定的优先级体系；从进程切换时上下文的精准保存与恢复，到 Linux 调度算法中活动队列与过期队列的巧妙轮转，每一个细节都体现了 “让系统更流畅、资源利用更高效” 的目标。
理解这些知识，不仅能帮我们在实际工作中更好地调试程序（比如通过调整优先级优化资源占用），更能让我们透过现象看本质：操作系统的每一个机制，都是对 “如何管理复杂系统” 的抽象与落地。
进程调度的故事远未结束 —— 随着多核 CPU、实时系统等场景的发展，调度算法仍在不断进化。但无论技术如何迭代，“理解进程的行为与调度规则” 始终是程序员与操作系统 “对话” 的基础。希望本文能成为你探索更深层系统知识的起点，也欢迎在评论区分享你对进程调度的思考或实践经验～