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系统核心解析：深入操作系统内部机制——进程管理与控制指南（三）【进程优先级/切换/调度】

news 2025/9/14 7:38:45

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        前面我们已经学习了进程的前置知识，今天这一篇博客我们继续来学习进程，准备好了吗~我们发车去探索进程的奥秘啦~🚗🚗🚗🚗🚗🚗

目录

进程优先级😜

基本概念😘

Linux 中的进程优先级😍

PRI 和 NI😜

优先级计算公式😄

查看进程优先级😀

调整进程优先级的方法😋

使用 nice 和 renice 命令🙃

使用 top 命令动态调整😁

使用系统调用 setpriority 和 getpriority👍

总结与对比🐷

进程的竞争性、独立性、并行与并发😊

进程切换（Context Switching）😀

什么是进程切换？😊

为什么会进程切换？❤

进程切换步骤😭

Linux O(1) 调度器😍

理论核心架构😜

调度过程 😜

队列交换 🙃

为什么叫O(1)算法？👌

总结🐷

进程优先级😜

基本概念😘

1. 什么是进程优先级？

    进程优先级（Priority）是操作系统调度器用来决定哪个进程先获得 CPU 资源的一种机制，优先级高的进程会优先被调度执行。注意优先级与“权限”不同：优先级决定的是“谁先谁后”，而权限决定的是“能否访问”。

2. 为什么需要进程优先级？

    资源有限性：CPU 资源有限，而进程数量众多，需要通过优先级合理分配资源。

    系统性能优化：通过调整进程优先级，可以确保关键任务优先执行，提升系统整体性能。

Linux 中的进程优先级😍

PRI 和 NI😜

    PRI（Priority）：进程的实际优先级，值越小优先级越高。

    NI（Nice）：用于调整 PRI 的修正值，用户可通过修改 NI 来间接影响 PRI。

优先级计算公式😄

PRInew​=PRIold​+nice

            nice 的取值范围为 -20 到 19，共 40 个级别【Linux 是一个分时操作系统，这一个范围也保证了一定的公平公正】，过度调高某个进程的优先级可能导致其他进程“饥饿”【其他进程无法得到调度和CPU资源】。

            PRI 的范围一般为 60 到 99（Linux 默认范围），Nice 值的 40 个级别（-20 到 19）正好一对一地映射到优先级（PRI）的 40 个级别（60 到 99）上。 NI 是用户可见的、可调整的“输入”，而 PRI 是内核内部实际使用的“输出”值。

查看进程优先级😀

使用 ps -l 或 ps -al 命令

    我们可以发现【ps -l】和【ps -al】查询到的进程是两种不同的结果~这也就是它们的区别所在，我们来看看下面的对比表格~

特性ps -lps -al
显示范围仅当前终端所有终端
用户范围仅当前用户所有用户
进程数量较少较多
终端显示仅当前终端 (pts/0)多个终端 (pts/0, pts/1)

        除此之外，我们还可以发现进程的 PRI 都为 80，NI 都为 0——这正是 Linux 进程调度默认行为的体现~

        在大多数 Linux 系统中，80 是用户进程启动时的默认基准优先级。这个值（具体数值可能因内核版本和发行版略有不同，但 80 非常常见）被设计为调度队列中的一个中间值。这意味着新创建的进程不会天然地拥有很高或很低的优先级，它们在竞争 CPU 时间时处于一个相对公平的起跑线上。

        0 是默认的 Nice 值。Nice 值是用户或系统用来对默认优先级进行微调的修正值。一个为 0 的 NI 值表示“不做任何调整”，所以进程的最终优先级 PRI 就等于默认的基准优先级 80 + 0 = 80。

调整进程优先级的方法😋

使用 nice 和 renice 命令🙃

         nice 用于启动一个进程并指定其 nice 值，renice 用于修改已运行进程的 nice 值~

非特权用户只能调低优先级（提高 nice 值），不能调高（降低 nice 值）~

# 启动一个进程（code)并设置 nice 值为 10
nice -n 10 ./code# 修改已运行进程（PID=4340）的 nice 值为 5
renice -n 15 -p 4340

注意事项：普通用户只能降低优先级（增加 NI 值），只有 root 用户才能提高优先级（设置负的 NI 值）。nice 用于启动新进程时设置，renice 用于修改已运行进程的优先级。

使用 top 命令动态调整😁

  1. 命令行输入top；

  2. 按 r；

  3. 输入进程 PID；

  4. 输入新的 nice 值。

  5. 按q退出

注意事项：这是交互式实时调整，同样受权限限制（普通用户不能设置负值）【与 renice 命令完全相同。在 top 界面中，如果你是普通用户，尝试输入负值会得到 “Operation not permitted” 的错误】修改仅对进程的当前运行实例有效，进程重启后恢复默认优先级。

使用系统调用 setpriority 和 getpriority👍

注意事项：需要在程序代码中调用，主要权限限制与命令行相同。必须包含完善的错误处理（如检查返回值），适合在应用程序中实现自适应的优先级管理。

总结与对比🐷

特性nice / renice 命令top 命令系统调用
使用场景命令行、脚本交互式实时监控与调整程序内部集成
控制对象新进程 / 已存在进程已存在进程自身或其他进程（编程控制）
灵活性高交互式，中最高，可编程逻辑控制
权限要求普通用户只能降级普通用户只能降级普通用户只能降级
持久性进程运行期间有效进程运行期间有效进程运行期间有效
主要优势简单直接，易于脚本化实时直观，结合系统监控灵活自动化，嵌入程序逻辑

通用重要注意事项：

  1. 权限是核心：记住 -20 到 -1 【负值】的区间是 root 的“特权区”。

  2. 公平性：不要滥用高优先级，否则可能导致系统资源饥饿（Starvation），影响其他重要进程和系统整体稳定性。

  3. 非永久性：所有修改都只在进程生命周期内有效，进程重启后设置失效。

进程的竞争性、独立性、并行与并发😊

竞争性：多个进程竞争有限的 CPU 资源，优先级用于解决竞争问题。

独立性：进程之间相互隔离，一个进程的崩溃不会直接影响其他进程。

并行：多个进程在多个 CPU 核心上同时执行。

并发：多个进程在一个 CPU 核心上通过时间片轮转交替执行，宏观上间隔时间很短看似同时运行。

进程切换（Context Switching）😀

什么是进程切换？😊

        进程切换是指操作系统将当前正在运行的进程挂起，并恢复另一个进程执行的过程。这个过程也叫做 CPU 上下文切换（CPU Context Switching）。

            那么什么是上下文呢？前面对于进程学习，我们简单介绍了一下上下文数据~   接下来我们来看看什么是CPU上下文？

  • 理论：CPU上下文指的是在任务（进程/线程）执行时，CPU寄存器和程序计数器在任意时刻的状态。CPU内的寄存器只有一份，但是上下文可以有多份，分别对应不同的进程。寄存器存储着进程的临时数据、地址、状态信息，程序计数器（PC）存储着下一条要执行的指令地址。

  • 比喻：这就像 一个厨师的工作台当前状态——哪些食材正在处理、刀放在哪、火开到多大、菜谱翻到了哪一页。这一切定义了“工作做到哪一步了”。

为什么会进程切换？❤

  • 理论：操作系统为了实现并发（Concurrency），让多个进程在一段时间内“看起来”同时运行。当一个进程的时间片用完、或需要等待I/O操作、或有更高优先级进程就绪时，就需要切换。

  • 比喻：餐厅经理（操作系统）为了保证公平性和效率，规定每个厨师一次只能在厨房工作一段时间（时间片）。时间到了就必须换人，让其他厨师也能用厨房，防止一个厨师霸占厨房。

进程切换步骤😭

  1. 保存上下文 (Save the Context):

    • 理论：将当前进程的CPU寄存器状态全部保存到它的内核栈（Kernel Stack） 中。

    • 比喻：厨师A被叫出厨房前，他必须迅速而准确地在自己的记事本（内核栈） 上记下所有工作状态：“洋葱切了一半，还剩3个，汤用中火炖了5分钟，盐放了2勺...”。

  2. 选择下一个进程 (Pick Next Process):

    • 理论：由操作系统的调度器（Scheduler） 从就绪队列中选择一个最合适的进程来运行。

    • 比喻：餐厅经理查看任务板（运行队列），根据优先级规则，决定接下来让哪位厨师（进程）进入厨房。

  3. 恢复上下文 (Restore the Context):

    • 理论：将下一个要运行进程的上下文信息，从其内核栈中加载到CPU的各个寄存器中。

    • 比喻：厨师B进入厨房。他并不关心上一位厨师做了什么。他拿出自己的记事本，按照上面的记录恢复工作现场：“哦，我上次鱼煎到一半，油温是七成热，下一步该翻面了...”。

  4. 跳转执行 (Jump and Execute):

    • 理论：将程序计数器（PC）设置为新进程的下一条指令地址，CPU开始执行新进程的代码。

    • 比喻：厨师B看了一眼记事本上记录的下一步骤，然后开始继续操作。

Linux O(1) 调度器😍

理论核心架构😜

运行队列 (Runqueue):

  • 理论：Linux为每个CPU核心都维护一个struct runqueue（运行队列）结构。这是调度的核心数据结构。

  • 比喻：这家餐厅的每个厨房（CPU核心） 都有自己独立的任务管理区（运行队列），这样多个厨房可以同时工作，互不干扰，避免了厨师们挤在一个任务板前争吵（避免了锁竞争）。

优先级数组 (Priority Arrays) - 活动队列与过期队列:

  • 理论：每个运行队列包含两个prio_array_t结构的数组：活动队列（active） 和 过期队列（expired）。

    • 活动队列 (active)：存放所有时间片尚未耗尽的就绪进程。

    • 过期队列 (expired)：存放所有时间片已经耗尽的就绪进程【新增进程/时间片到了的进程】

  • 比喻：每个厨房的任务管理区都有两块巨大的白板：

    • “正在叫号”板 (Active Board)：上面挂着所有还有工作时间的厨师的订单。

    • “等待换班”板 (Expired Board)：上面挂着所有工作时间已用完的厨师的订单。

队列结构 (Queue Structure):

  • 理论：每个prio_array_t包含：

    • queue[140]: 一个包含140个链表的数组。每个链表（queue[i]）都是一个FIFO队列，存放着所有优先级为i的进程。下标即优先级，目前我们主要了解O(1)调度算法如何管理调度下标为【100-139】的普通进程，【0-99】的实时进程的管理调度后面再继续了解~

    • bitmap[5]: 一个5*32=160位的位图（bitmap），每一位代表一个优先级队列是否为空（1为非空，0为空）。用于快速查找最高优先级的非空队列。

  • 比喻：

    • “正在叫号”白板上有140个挂钩（queue[140]），编号从0到139。编号越小，代表优先级越高（VIP挂钩）。

    • 每个挂钩上可以挂一串订单（进程链表），同一挂钩上的订单优先级相同，按先来后到的顺序排队。

    • 经理手边还有一个电子指示屏（bitmap），上面有140个小灯，每个灯对应一个挂钩。如果某个挂钩上有订单，对应的灯就会亮起。经理一眼扫过屏幕，就能立刻知道哪个编号最小的亮灯挂钩（即最高优先级的非空队列）。

更加形象可以看看下面这张图片：

调度过程 😜

  • 理论步骤：

    1. 调度器查看active->bitmap，找到第一个被设置的位（即优先级最高的非空队列）。

    2. 从active->queue[i]中取出第一个进程。

    3. 将该进程投入运行。

    4. 当该进程的时间片用完，它会被从CPU上剥离。

    5. 调度器重新计算它的时间片和新优先级（可能根据其行为交互式还是计算型进行动态调整），然后将其放入expired->queue[k]中（k是计算出的新优先级）。

    6. 重复步骤1-5，直到active队列为空。

  • 比喻步骤：

    1. 经理查看电子指示屏，找到编号最小的、灯还亮着的挂钩（比如101号）。

    2. 他走到101号挂钩前，取下最前面的那个订单，叫对应的厨师（比如厨师A）进厨房工作。

    3. 厨师A在厨房工作，直到经理喊“时间到！”。

    4. 厨师A出来，经理根据他刚才的表现（是一直在切菜（CPU密集型）还是经常等送食材（I/O密集型）），重新评估他的效率，并给他分配新的下次工作时间（重置时间片）。

    5. 然后经理把厨师A的订单挂到 “等待换班”板 的对应优先级的挂钩上（比如新优先级变成了105）。

    6. 经理继续从“正在叫号”板叫下一个厨师。

队列交换 🙃

  • 理论：当active队列完全为空时，调度器只需执行一个简单的指针交换操作：swap(active, expired)。之后，原来的过期队列变成新的活动队列，而空的活动队列则成为新的过期队列。

  • 比喻：当 “正在叫号”板 上的所有订单都被处理完，变得空空如也时。经理并不慌张，他做了一件非常聪明的事：直接把“正在叫号”和“等待换班”两块白板的标签互换！瞬间，满是订单的“等待换班”板变成了新的“正在叫号”板，而空的板子则成为了新的“等待换班”板。所有等待的厨师又都有了新的工作时间。

为什么叫O(1)算法？👌

  • 理论：无论系统中有多少进程，查找下一个要运行的进程的时间都是一个常数。因为它不遍历所有进程，而是通过查询固定大小的bitmap（常数时间）和操作固定数量的队列（140个）来完成。

  • 比喻：无论餐厅有多少等待的厨师，经理决定下一个叫谁的时间都是一样的。他只需要看一眼固定大小的电子指示屏，而不是从头到尾数一遍所有厨师。

总结🐷

了解了这么多，我们可以看到Linux调度器的设计之美：

  • 效率：通过bitmap和双队列结构，将调度算法复杂度降为O(1)。

  • 公平：通过时间片轮转和优先级结合，保证所有进程都能得到执行，不会出现“饥饿”现象。

  • 智能：调度器会根据进程的过去行为（I/O密集还是CPU密集）动态调整其优先级，让交互式程序（如桌面点击）响应更快，体验更好。

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