【Linux】进程优先级：谁先 “上车” 谁说了算

前言

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早高峰挤公交谁能先窜上去？Linux 里的进程抢 CPU 资源也是这德性 —— 全靠 “优先级” 当 “插队密码”。这篇就扒明白这些数字咋帮进程 “抢座”，还教你咋给进程开 “优先通道”~

📚 Linux 入门篇

【 Linux 历史溯源与指令入门 】

【 Linux 指令进阶 】

【 Linux 权限管理 】

🔧 Linux 工具篇

【 yum + vim 】

【 sudo白名单配置 + GCC/G++ 】

【 自动化构建：make + Makefile 】

【 倒计时 + 进度条 】

【 Git + GDB调试器 】

⚙️ Linux 进程篇

【 冯诺依曼体系 + 操作系统 】

【 进程概念 + PID + fork函数 】

【 进程状态 】

1、侵入式链表管理 task_struct

① 传统链表 vs 侵入式链表

传统链表的逻辑是：让数据结构体 “依附” 于链表—— 比如定义一个链表节点，把数据结构体作为节点的 “数据域”（链表是主体，数据是附属）。

这种方式的核心问题是：数据与链表指针紧耦合，不同结构体要单独写链表逻辑，代码完全无法通用，冗余且维护成本高。

而侵入式链表正好相反：把通用链表节点 “嵌入” 到数据结构体内部—— 数据结构体是主体，链表节点是它的一个 “成员”（链表逻辑通过这个嵌入的节点实现）。

侵入式链表的核心是 “通用链表节点嵌入数据结构体，数据是主体，同一套链表逻辑可复用管理任意结构体，灵活且无冗余”。

② 通过节点指针 + 偏移量计算，反向获取结构体对象

(task_struct *)(start - (size_t)&((task_struct *)0)->link)->other

解析：

1. (task_struct *)0**：*将地址 0 强转为`task_struct`，虚拟结构体基址
2. (size_t)&((task_struct *)0)->link**：**计算link在结构体中的偏移量（强转size_t确保数值运算）
3. start - (size_t)&((task_struct *)0)->link**：**节点地址减偏移量，得结构体起始地址
4. (task_struct *)(...)**：*将结果强转回`task_struct，最终访问other`成员

③ 问题：在进程管理中，为什么通常用链式结构存储 PCB（进程控制块）？

进程管理中选择链式结构存储 PCB，是适配进程动态特性与内核管理需求：

1. 适配进程动态生命周期：进程会频繁创建 / 销毁，链式结构增删节点仅需修改指针（时间复杂度 O (1)），无需像数组那样扩容、移动元素；
2. 适配内核内存环境：PCB 可分散存储在非连续内存中（内核中大块连续内存稀缺），链式结构靠指针串联节点，无需连续地址空间；
3. 支持灵活的进程管理：可轻松实现进程的排序、筛选（如按优先级遍历）、状态切换（如就绪队列 / 阻塞队列的重组），操作成本低；
4. 复用通用链表逻辑：通过侵入式链表，一套增删查逻辑可管理 PCB、文件等多种内核对象，减少代码冗余。

2、进程优先级

① 进程优先级是什么？

进程优先级是CPU 调度进程的 “先后规则”：系统会给不同进程分配优先级，优先级高的进程能更优先获得 CPU 等资源的访问权（即 “谁先访问、谁后访问”）。 它和 “权限” 是不同概念：

• 优先级 → 决定资源访问的顺序（谁先用 CPU）；
• 权限 → 决定资源访问的资格（能不能用某个文件 / 设备）。

简单说，进程优先级是 “资源调度的先后顺序规则”，用来让系统更高效地分配 CPU 时间。

② 为什么要有进程优先级？

因为资源是有限的，但进程是多个的，进程之间天然存在资源竞争关系（竞争性）。 操作系统需要通过 “进程优先级” 实现良性竞争：

• 避免进程长期抢不到 CPU 资源（即 “饥饿问题”），否则进程代码无法推进，在用户层会表现为 “应用无响应”；
• 让更重要的进程优先获得资源，提升系统整体的效率与响应性。

3、如何查看进程优先级？

在 linux 或者 unix 系统中，用 ps –l 命令则会类似输出以下几个内容：

我们很容易注意到其中的几个重要信息，有下：undefined

• UID : 代表执行者的身份
• PID : 代表这个进程的标识符
• PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的标识符
• 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，会影响进程的优先级（PRI）

【UID是什么】

在操作系统中，UID（用户标识符）是系统唯一识别用户的标识：

• 昵称（用户名）是给人看的，可能存在重复；
• 但 UID 是系统分配的数字编号（比如 Linux 中 root 的 UID 固定为 0），每个用户的 UID 在系统内是唯一的，不会重复。

所以系统实际是通过 UID 来区分不同用户的，而不是依赖可能重复的用户名。

从图中我们可以看到，ls指令加上-n选项后，对应的文件拥有者和文件所属组的位置被1001这样的数字替代了，1001就代表了当前文件拥有者的UID也就是用户的唯一标识符

【UID和PID的区别】

4、如何理解PRI and NI

• PRI也还是比较好理解的，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
• 那NI呢？就是我们所要说的 nice 值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值
• PRI 值越小越快被执行，那么加入 nice 值后，将会使得 PRI 变为：PRI(new)=PRI(old)+nice（每次调整 old 都是以默认的 80 开始调整）
• 这样，当 nice 值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行
• 所以，调整进程优先级，在 Linux 下，就是调整进程 nice 值
• nice 其取值范围是 -20 至 19，一共 40 个级别

从图中可以看到进程默认优先级是80，也就代表了我们所能调整的最终优先级范围是60,99

< 进程 nice 值与优先级调整说明 >

虽然进程优先级可以通过修改 nice 值调整，但不能无限制提升优先级（比如无法通过 “大幅修改 nice 值” 让进程一直被调度）—— 因为 Linux 对 nice 值的调整范围做了限制，仅允许在[-20, 19]区间内调整（nice 值越小，进程优先级越高）。这是系统为避免单个进程过度抢占资源、保证整体稳定性而设置的约束，不会开放过度的优先级干预权限。

5、如何修改进程优先级？

< top调整进程优先级 >

1. 启动 top：在终端输入top，进入进程监控界面；
2. 进入优先级调整模式：按下键盘上的r键（代表 “renice”，调整 nice 值）；
3. 输入目标进程的 PID：此时界面会提示 “PID to renice:”，输入要调整的进程 PID 后按回车；
4. 输入新的 nice 值：接着提示 “Renice PID 目标 PID to value:”，输入想要设置的 nice 值（范围[-20,19]），按回车完成调整。

【注意事项】：

• 普通用户只能把 nice 值调大（降低进程优先级），只有 root 用户能调小（提高优先级）；
• 调整后可以在 top 界面的NI列，看到该进程的 nice 值已更新。

【修改演示】：

从图中可以看到PRI和NI确实被修改了，有些同学可能疑惑：为啥查进程 PRI 和 NI 时用了ps -la而不是-l选项？这是因为ps -l只显示当前终端下的进程 —— 哪怕是同一用户，只要进程是在其他终端启动的，ps -l就不会显示；而ps -la的-a参数能显示所有终端的进程，所以能稳定查到目标进程的 PRI 和 NI（图中 test 进程的 PRI、NI 已成功修改）。

< 修改NI值的特殊情况 >

如果我修改的NI超过可修改范围，最终的NI值会是多少呢？

如果修改的 NI 值超出了合法范围（-20,19），系统会自动按边界值生效：比如图中尝试设 NI 为 30，最终会取最大值 19；若设为 - 21，则会取最小值 - 20。

6、进程的竞争性、独立性、并行、并发

竞争性: 系统进程数目众多，而CPU资源只有少量，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 ▶ 比如服务器同时跑着业务程序、日志脚本、备份进程，CPU 只能轮流处理它们，优先级就是 “规则”—— 让核心业务先抢到 CPU，避免卡顿。

独立性: 多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰

▶ 每个进程都有自己的 “独立空间”，像你开着的浏览器和音乐播放器，浏览器崩溃不会影响音乐播放，就是独立性在隔离资源。

并行: 多个进程在多个CPU下分别，同时进行运行，这称之为并行

▶ 如果服务器有 4 个 CPU 核心，进程 A、B、C、D 可以同时在 4 个核心上跑，是真正的 “同时执行”，能直接提升整体效率。

并发: 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，让多个进程都得以推进，称之为并发

▶ 只有 1 个 CPU 时，系统会快速切换进程（比如先跑进程 A 10ms，再切到进程 B 10ms），宏观上看这些进程像 “同时在跑”，但微观是 CPU 在轮流处理。

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