【Linux】进程优先级与进程切换理解

前言

本篇文章我们在了解了进程概念和状态等基础知识之上，继续学习进程的优先级，以及进程切换相关知识。

正文开始

一、进程优先级

1. 什么是进程优先级

进程优先级是操作系统分配给进程的一种“权重”或“级别”，用来决定在多个进程同时竞争 CPU 资源时，哪一个进程先获得运行的机会。优先级高的进程会被优先调度执行，低优先级的进程则可能需要等待。

2. 为什么有进程优先级

大多数情况下，正在执行的程序数量是比较多的，而CPU资源有限。为了使那些重要、急需执行的任务先执行，就有了优先级。这样一来，资源分配会得到优化，整个系统更加合理高效。

注：现代操作系统更加考虑进程获取资源的公平性，优先级的差距不会太大。

3. 进程优先级的作用

进程优先级可以保证关键任务或实时任务及时调度（如操作系统内核进程通常优先级较高），并且可以防止某个进程长期占用 CPU，改善系统性能。其次，优先级可以实现多用户或多任务下的公平资源分配。

4. Linux进程优先级的本质

在Linux下，进程优先级的本质就是一个整数，存储在task_struct结构体当中，直接影响了进程调度的先后顺序。进程优先级的值越小，优先级越高。

可以使用以下命令查看到当前所有进程的优先级：

ps -al

运行结果：

PRI：进程优先级的值，默认是80

NI：也叫做nice值，是进程优先级的修正数据。其取值范围是[-20, 19]。

PRI的默认值(80) 和 NI 之和表示进程的真实优先级大小。也就是说，Linux进程优先级的范围是[60, 99]，一共40个。

注：ps -l指令还可以看到当前进程的PID，父进程ID等。其中还有一项UID，它用来标识Linux下的用户，进行用户区分。当用户创建进程时，进程会记录用户的UID，访问文件时（本质是进程在访问），进程就拿这个UID与文件的拥有者或所属组的UID进行对比。

5. 修改进程优先级

在Linux下，修改进程优先级主要是通过修改nice值来完成（注意nice值的取值范围）。可以使用top命令修改进程优先级：

输入top --> 按“ r ” --> 输入进程的PID --> 输入新的nice值

注意：普通用户只能给自己的进程设置优先级，且只能将优先级调低（nice值调高）；而root用户可以在取值范围内随意调整任意进程的优先级。

接下来我们尝试调整一个进程process的优先级：

process的源码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    while(1)
    {
        sleep(1);
        printf("hello\n");
    }
    return 0;
}

首先运行process，查看process的优先级：

可以看到process的优先级是80。接下来将nice修改为10：

这里process的PRI变成了90，而nice值为10。此时90是process的真实优先级。

如果修改为-10：

可以看到，普通用户下，将nice值调低是不被允许的。

如果改为100：

由于取值范围的限制，nice值最高为19，输入100只能将其改为19。

注意：如果优先级设置不合理，就会导致优先级低的进程长时间获取不到CPU资源，导致进程饥饿。

二、进程切换

1. 概念

CPU在执行一个进程时，由于还有其他进程的存在，它不会一次将所有代码全部跑完，而是跑一会后，转而去执行其他进程，再来执行当前进程......这样才可以在一段时间之内使得多个进程都有所推进。CPU从执行当前进程变为执行其他进程的过程叫做进程切换。

当代操作系统都是分时的，每个进程都有它相应的时间片（本质就是一个计时器）。当前进程的时间片用完后，就会切换到其他进程。

2. 进程切换的过程

一个进程在CPU上运行到时间片结束之后，首先存储自己执行位置的上下文数据到自己的TSS（任务状态段，存储在task_struct当中）当中，然后将进程重新放入调度队列队尾。进程发生切换时，将新的进程的TSS中的数据拷贝（恢复）到CPU的对应寄存器中，继续执行。

进程的上下文数据指的是进程在运行时，需要保存和恢复的所有关键信息（例如发生切换时CPU寄存器中的数据），这样就可以保证进程发生一系列切换后，重新执行该进程时，能从原来的状态继续执行。

3. 进程切换的意义

进程切换让操作系统能管理多个进程，保证各进程能按照优先级获得CPU使用权，是实现多任务的基础。多个进程可以“轮流”运行，系统利用率和响应速度得以提高。

4. Linux的进程调度（O(1)调度算法）

高效的进程切换不仅保证了多任务系统的流畅运行，还直接影响着系统的响应速度与整体性能。为了实现快速、合理的进程调度，Linux内核采用了多种调度算法，其中O(1)调度器就是在2.6版本中所引入的一种重要算法。接下来，我们将深入了解O(1)调度算法，看看它是如何实现对大量进程的高效管理的。

在之前的文章中，我们提到过一个CPU维护一个进程调度队列，该队列中存放着一个个PCB，等待CPU对它们进行调度。实际上这个“进程调度队列”远远比传统的队列复杂。在Linux中，进程调度队列叫做runqueue，它的结构如图所示：

一个CPU维护一个运行队列runqueue，其中数组prio_array_t中的queue是存放进程PCB的关键。

queue本质是一个链地址法的哈希表，其中有140个哈希桶（前100个哈希桶表示实时优先级，剩余40个刚好对应40种优先级，所以哈希桶的下标 - 40就是进程优先级），相同优先级的进程task_struct存放在同一个哈希桶中，这样，当需要调度时，按照下标小到大的顺序扫描每一个哈希桶，先访问到的进程就是优先级高的（因为优先级的值越小，优先级越高），然后拿出桶中的task_struct进行调度。

考虑到每次都要遍历140个哈希桶，效率较低，所以有一个位图bitmap，位图中有5个32位的整形变量，加起来一共160位，其中的140位表示对应的哈希桶中是否有task_struct，所以可以直接判断哪一位是“1”，就表示哪一个桶需要被访问。除此之外，还有一个变量nr_active，表示整个哈希表中的元素个数，对应正在运行时的进程个数。

queue、bitmap、nr_active共同构成一个结构体，叫做rqueue_elem。

如此，访问位图，按顺序找到存在元素的哈希桶，进行调度，整个调度过程效率就能达到O(1)。

但是图中的prio_array_t数组有两个元素，也就是说有两张哈希表，这是为什么呢？这就要从进程切换的角度开始谈起了。

试想，如果只有一张哈希表，那么发生进程切换时会怎么样？

假设第100个哈希桶当中有3个进程，第一个进程的时间片耗尽后，会发生进程切换，此时按照优先级，只能将它重新插入在当前哈希桶的链表尾部，当然，其他两个进程也是如此。这样虽然能够完成这3个进程的轮流调度，但是更低优先级（也就是下标更大的哈希桶）的进程呢？当前哈希桶中只要有元素，CPU就会一直轮流调度当前哈希桶中的进程，而会忽略优先级更低的进程，导致进程饥饿。要调度优先级更低的进程，就必须等待当前优先级的进程全部调度完毕，显然是不合理的，极大地损失了公平性。

因此，前辈们想到了一个巧妙的方法：再创建一个相同的结构体rqueue_elem，其中也包含一个queue、bitmap、nr_active，两个rqueue_elem构成一个数组prio_array_t[2]。

然后创建两个指针native和expired，分别指向prio_array_t[0]和prio_array_t[1]，native指向的表示“活跃队列”；expired指向的表示“过期队列”。当发生进程切换时，被调度结束的进程会插入到“过期队列”的对应优先级的哈希桶中，然后继续访问“活跃队列”中的哈希桶，一个个地调度。这样，当前“活跃队列”哈希桶中的元素就会越来越少，直到为0，就可以访问优先级更低的哈希桶......最后所有进程都会被调度，而不是高优先级进程运行完毕后才能调度低优先级进程。

当“活跃队列”整个哈希表内的进程都被调度过后（此时这些进程应全都位于“过期队列”对应的哈希桶中），交换native和expired两个指针的指向，这样“过期队列”就变成了“活跃队列”，就可以开始下一轮的调度了。

如果有新进程出现，会直接插入“过期队列”当中。此时新进程处于“就绪状态”，等待一轮的调度结束后，新进程就可以被调度。

总结

本篇文章，我们系统地了解了进程优先级的定义、意义以及在Linux下的调整方法，也梳理了进程切换的基本流程与核心作用。从进程优先级到切换机制，再到Linux的O(1)调度算法，这些知识共同揭示了操作系统在多任务管理中的高效与精妙。掌握这些原理，有助于更深入理解和优化 Linux 系统的性能，为后续程序地址空间和进程控制的学习打下坚实基础。如果你觉得博主讲的还不错，就请留下一个小小的赞在走哦，感谢大家的支持❤❤❤