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进程优先级以及切换调度

news 来源：原创 2025/5/22 6:00:58

进程优先级

基本概念

实操理解

优先级操作

竞争，独立，并行，并发

进程切换

寄存器

讲切换

linux进程调度算法

进程优先级

基本概念

cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）。
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。
还可以把进程运⾏到指定的CPU上，这样⼀来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以⼤⼤改善系统整体性能。

为什么需要有进程优先级呢？

cpu资源有限，我们的计算机大部分都是单cpu，顶多两块cpu，所以就需要设定一个进程得到cpu资源的先后顺序，也就是进程优先级！

进程优先级是怎么实现的？

它其实也是一个数字，在进程task_struct中,它的值越低，优先级越高，反之越低。

优先级和权限的区别？

优先级是能的到某种资源，只不过是先后问题，而权限是能否得到某种资源。

实操理解

我们输入 ps -l 命令可以看到：

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
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

UID有什么作用呢？它的作用就是可以让系统知道是拥有者，所属组还是other访问资源的。

如：

我们之前利用指令访问一个文件（cat或vim等等），其实就是一个进程再访问文件，那么OS是怎么知道是谁访问的这个文件呢？

文件在建立的时候，OS就会记录这个文件拥有者,所属组，other的UID。

当我们启动一个进程，也会记录下来一个UID。

所以说，OS只需要将进程的UID和要访问文件的UID比对，如果进程UID是和这个文件的拥有者相等，那么OS就确定是拥有者访问的这个文件资源，如果不是，则继续比对所属组和other!

优先级操作

我们之前说过进程优先级是一个数字表示的，在进程中，有一个PRI和NI值，PRI表示进程的优先级，默认是80，NI值是进程优先级的修正数据，也叫nice值。

进程真正的优先级==PRI值（默认80）+NI值。

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。

我们可以修改一下进程的优先级，但是不建议修改，就算修改，变化也不能太大，因为没必要，要考虑公平性，甚至可能导致某些个进程长时间得不到cpu资源，进程导致进程级饥饿。

我们的PRI值默认就是80，我们只需要修改nice值就能修改进程的优先级！

但是优先级数字肯定是有范围的，不可能无限大，无限小吧。

先说结论：nice值范围是[-20,19]，也就是说进程优先级范围是[60,99]。因为PRI默认是80，只需要加上nice值就行！

也就是说有40个等级的进程！

验证：

我们输入top指令，按r，输入需要修改的进程编号，回车，直接输入需要修改的nice值即可！

我们可以看到这个进程优先级是60，也就是说nice值最低是-20，根本不会让其越界！

现在我们修改nice值为100.看看现象。

验证到此结束。

其实我们也可以利用nice，renice命令修改，这里不多演示。

竞争，独立，并行，并发

先说概念：

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。
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。
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。
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。

理解独立性：

多个进程运行，互不干扰，不管哪个进程崩溃了，哪怕亲如父子进程，也不会影响各自运行！就像我们同时打开博客，浏览器，哪怕再开几个游戏，它们无论哪个进程崩溃了，也不会影响其它进程。

理解并行和并发：

一块cpu，在某个时刻只能执行一个进程！我们大多数计算机都是单cpu，当然我们可以加装多块cpu，这样每块cpu不管在哪个时刻都只运行一个进程，这是并行！

而只要是单cpu，不管在哪个时刻，都是一个进程在跑！

那为什么我们可以同时打开运行多个应用？（同时打开博客，浏览器，游戏等等）

因为这其实是错觉，其实是这多个进程在同一块cpu下采取进程切换的方式，让多个进程都得到推进，这就是并发！

查看有几块cpu:

我们可以看到，我们这个系统有两块cpu。

所以我们现在来介绍介绍进程切换！

进程切换

讲进程切换之前，我们先讲讲进程是如何运行的？

进程在cpu的运行状况，是有两种情况的。

在分时操作系统中：

进程是以时间片（其实就是一个计数器）轮转的方式，来保证进程公平获得cpu资源的。

比如：

cpu运行一个进程A，不管是否将进程A全部执行完，只要时间片时间到了，就切换到另一个进程B，去执行进程B，同理B也是如此。

分时操作系统主要应用于互联网领域。

在实时操作系统中：

进程是严格按照优先级来运行的。也就是说先将优先级最高的进程优先执完毕，再切换到次高的进程去执行。

比如：

用户正在驾驶某种汽车，且听着音乐，突然，传感器检测到前方有障碍物，OS就会立马生成一个刹车进程，会优先执行刹车，而不是会等播放音乐进程的时间片完成，才能执行刹车进程。

所以说，实时操作系统主要应用于工业领域。

但其实这两种情况代码一般都会实现，只不过真正应用的时候，可能会把其中的一种裁掉或者条件编译掉！

我们主要讲解分时操作系统。

但不管是哪种，都会涉及到进程切换！

讲进程切换之前，我们先讲讲寄存器。

寄存器

cpu中有着很多个寄存器，当cpu去运行一个进程（一行一行代码执行），在时间片的这个时间段中，这些寄存器就会存储这个进程的临时数据（比如：运行到第几行了，运行完的临时变量等等）。也就是说寄存器存放的是进程的上下文数据。

比如：要计算1+1等于几，寄存器会存入两个1和需要做的操作（两数之和），计算，将结果（2）再存入寄存器中，最后再将结果写回内存。

结论：

寄存器其实就是cpu内部临时空间，而寄存器它并不等于计算器里面的数据，寄存器这个空间是固定的，寄存器里面的数据是可变的，多样的。

讲切换

有了寄存器的概念，进程切换就比较好理解了！

切换过程：

不管在任何一个时刻一块cpu都只运行一个进程，假设现在有且只有两个进程A,B。

cpu运行进程A，寄存器就得保存进程A执行的临时数据（上下文数据），时间片一到，寄存器保存的进程A的上下文数据就要被剥离（其实就是拷贝）出来到进程A的pcb中记录下来，然后cpu运行进程B，同理，寄存器就直接覆盖进程B执行的上下文数据，时间片一到，寄存器中的进程B中的上下文数据再被剥离到进程B的pcb中，然后继续运行未执行完的进程A，寄存器就要恢复进程A之前保存下来的上下文数据。

当进程A被切下来的时候，需要带走自己的上下文数据，目的就是为了后续的恢复操作！

有了上述理解，其实寄存器上下文数据的剥离和恢复有一个专业名词概念。

CPU上下⽂切换：其实际含义是任务切换,或者CPU寄存器切换。当多任务内核决定运⾏另外的任务时,它保存正在运⾏任务的当前状态,也就是CPU寄存器中的全部内容。这些内容被保存在任务⾃⼰的堆栈中,⼊栈⼯作完成后就把下⼀个将要运⾏的任务的当前状况从该任务的栈中重新装⼊CPU寄存器, 并开始下⼀个任务的运⾏,这⼀过程就是contextswitch。

解决几个问题：

当前进程要将它的上下文数据剥离保存下来，保存到了哪里呢？

保存到当前进程的pcb中，更准确来说，是保存到当前进程pcb中的任务状态段（tss）中。

但是一些较新版本的OS，tss并不在pcb中，因将tss放进去之后，pcb会很大！

那OS怎么判断一个进程是被调度过了还是从未被调度过呢？

其实很简单，进程pcb就是存储着进程的各种信息，我们可以定义一个标志位变量代表是否被调度过，如果这个变量为1，就是被调度过，这个变量为0，就是从未被调度过！

说白了，进程切换，最核心的，就是保存和恢复当前进程的上下文数据，即cpu内寄存器的内容！！！

linux进程调度算法

我们之前只讲了一部分关于进程调度问题，我们现在深入讲讲。

我们之前说过一个cpu，一个运行队列，而在运行队列中，并不是只有一个个进程的pcb，其实是这样的一个结构：

我们现在来讲解一下这个图。

1.运行队列中，肯定有很多个进程，也就是很多个pcb，它们存储在图中的queue[140]中，queue[140]其实是指针数组，140意思是有140个等级的进程，而我们先前说只有40个等级的进程，其实，还有100个是实时优先级进程（我们不考虑），我们主要考虑分时系统进程（40个)。

2.先前又说进程是有优先级的（取值是60到99)，所以说，queue[140]中需要对应各自的进程优先级数字，这决定着这个数组要设计一个哈希表。

我们只需要：某一个进程的优先级-60+（140-40）=这个进程的queue下标！

3.而每一个等级的进程，难免有多个，所以这个数组的每一个空间其实就是指向一个个队列，同一个队列，优先级相同，不同的队列，优先级不同。

4.如果要去调度一个进程，我们需要去遍历这140个的空间，可能也要遍历这一个个队列，但是这样时间复杂度确是O(n)，所以我们可以这样设计：

一个变量nr_active记录这140个空间中有多少个进程，bitmap[5]是一个位图，类型是unsigned int (比特为是32)，一共有5个空间一共160个比特位，每个比特位按顺序表示这140个空间是否有进程（1代表有，0代表没有），如果是4个空间（一共128个比特位）不够表示140个空间，5个空间多余的比特位部分不赋值。

所以，去调度一个进程只需要拿到它的位图数据，即可调度，省去了遍历。

问题：

进程切换，按照时间片轮转的，我们知道不一定会将这个进程全部执行完，时间片一到，就要切换到下一个进程，我们怎么才能取到下一个进程呢？因为每个进程之间是在一个队列中，我们取数据只能取栈顶！这就决定了我们需要将调度过的进程pop掉，那pop掉的进程放在哪呢？所以我们可以这样设计。

将数组设计成俩份，一个是活跃进程数组（active指针指向它），一个是过期进程数组（expired指针指向它），我们可以将调度过的进程从活跃进程数组pop掉，直接链接到过期进程数组中的对应位置，至此，活跃进程数组中的进程只会越来越少，直至为0，而过期进程数组中的进程只会越来越多，当活跃进程数组中进程为0时，直接将active指针和expired指针交换！这样过期进程变活跃进程，活跃进程变过期进程，继续按照时间片调度！！！

在系统当中查找⼀个最合适调度的进程的时间复杂度是⼀个常数，不随着进程增多⽽导致时间成本增加，我们称之为进程调度O(1)算法！

我们下期见！

进程优先级

基本概念

实操理解

优先级操作

竞争，独立，并行，并发

进程切换

寄存器

讲切换

linux进程调度算法

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