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【Linux】进程优先级、进程切换、进程调度

news 来源：原创 2025/9/6 19:27:54

Linux

  • 1.进程优先级
    • 1.基本概念
    • 2.查看进程
      • 1.UID
      • 2.PRI、NI
      • 3.修改优先级（PRI）
    • 3.竞争、独立、并行、并发
  • 2.进程切换
  • 3.进程调度
    • 1.活动队列
    • 2.过期队列
    • 3.active、expired指针

1.进程优先级

1.基本概念

  1. 优先级：进程得到 CPU 资源分配的先后顺序。
  2. 优先级高的进程有优先执行的权利。配置进程优先级对多任务环境的 Linux 很有用，可以改善系统性能。
  3. 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。
  4. 为什么要有优先级？由于 CPU 资源稀缺，导致需要通过优先级确认进程的先后顺序。
  5. 优先级 VS 权限。优先级：能得到某种资源，只不过存在先后问题。权限：能否得到某种资源。
  6. 优先级是进程中 PCB（task_struct）中的一个整形数字。数字值越小，优先级越高；数字值越大，优先级越低。
  7. Linux 操作系统叫做基于时间片的分时操作系统。

2.查看进程

通过 ps -al 查看系统中的所有进程的详细信息：
在这里插入图片描述

  1. PID：该进程的代号。
  2. PPID：该进程的父进程代号。

1.UID

UID：执行者的身份。

在这里插入图片描述

  1. 在 Linux 中并不是通过用户名来识别身份的，每一个用户名都对应一个 UID，通过 UID 来识别用户身份。用户名是给用户看的，而 UID 是给 Linux 系统看的。
  2. 在创建文件的时候，就往文件属性中写入了 UID，表明文件的创建者。进程执行的时候，进程也会将 UID 保存起来，表明进程的执行者。
  3. 访问文件的本质：进程访问文件（cat等指令，都是一个个进程）
  4. 进程访问文件时，怎么知道当前用户是该文件的拥有者/所属组/other？是通过进程的 UID，匹配文件拥有者/所属组/other的 UID。
  5. Linux 系统中，访问任何资源，都是以进程的方式访问，进程就代表用户的身份。运行的每一条指令/程序，用过的每一个工具都是进程。用户通过进程和操作系统交互，所有的请求和任务都是进程，通过进程让操作系统调度、执行。识别权限：不是识别用户，而是通过 UID 来识别进程和文件之间的权限。

2.PRI、NI

  1. PRI：进程的优先级。默认：80
  2. NI：进程优先级的修正数据，nice值。默认：0。

PRI（进程优先级）= 80 + NI

需要强调一点的是，进程的nice值不是进程的优先级，他们不是⼀个概念，但是进程nice值会影响到进程的优先级变化。可以理解nice值是进程优先级的修正修正数据。

3.修改优先级（PRI）

修改优先级（PRI），本质是修改 NI 值。使用 top 命令更改已存在进程的nice值。

  1. 输入：top
  2. 输入：r
  3. 输入：进程PID
  4. 输入：nice值

在这里插入图片描述
注意：进程的优先级不允许由普通用户多次修改，即便是该进程的执行者。可以使用 root 用户多次修改优先级。

  1. 其他调整优先级的命令：nice，renice。
  2. 系统调用：getpriority、setpriority。

在这里插入图片描述

PRI、NI的取值范围：

  1. PRI：[60, 99]
  2. NI：[-20, 19]

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”。

3.竞争、独立、并行、并发

  1. 竞争：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。
  2. 独立：多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰。
  3. 并行：多个进程在多个 CPU 下同时运行，这称之为并行。
  4. 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。

2.进程切换

死循环进程如何运行?

  1. 一但一个死循环进程占用 CPU，不会将自己的代码跑完。存在时间片（一个非常短的时间）的概念，在该时间片内跑死循环进程，时间到了就会将该进程从运行队列中剥离下来，放到运行队列的最后面，让下一个进程运行。这也就是并发。
  2. 死循环进程不会一直占用 CPU 资源。

进程如何切换?

在这里插入图片描述

  1. 当进程 A 占用 CPU 资源时：在时间片内 CPU 运行该进程，CPU 内的寄存器会不断地保存、更新，执行代码过程中的临时数据。当执行完一个时间片时：进程 A 就会带走并保存寄存器中进程的上下文数据（拷贝过程），寄存器中的数据依旧是当时的数据，没有意义。再将进程 A 重新丢进调度队列的结尾，执行下一个进程 B。
  2. 当执行进程 B 时：将进程 B 的上下文数据覆盖寄存器中的数据（例如：将 main 函数的地址丢进 PC 寄存器中，通过地址找到要执行的代码）。同理当执行完一个时间片时：进程 B 也要带走并保存下文数据，为了下一次执行进程 B，能找到上一次的运行位置。

进程切换的本质：保存和恢复当前进程的硬件上下文数据（CPU内寄存器的内容）

  1. 进程将自己的上下文数据保存到进程的 task_struct 中的 任务状态段（TSS 结构体）中。
  2. 全新的进程和已经调度过的进程通过标记位做区分。

时间片：当代计算机都是分时操作系统，没有进程都有它合适的时间片（其实就是一个计数器），时间片到达，进程就被操作系统从CPU中剥离下来。

3.进程调度

  1. 进程切换：保存当前进程的上下文和恢复下一个进程的上下文。
  2. 进程调度：操作系统根据调度算法，从调度队列中选择一个进程，将其分配到CPU上执行的过程。
  1. 分时操作系统：基于时间片轮转，系统将 CPU 时间划分为多个时间片，每个时间片分配给一个任务。当时间片用完时，系统会挂起当前任务，并将 CPU 分配给下一个任务。应用领域：互联网。
  2. 实时操作系统：遇到高优先级的进程，立即中断当前 CPU 执行的进程，该优先级高的进程立即执行，必须将该进程运行完，才能运行下一个进程。应用领域：工业、制造业。
  3. 实时优先级是为了实时操作系统所设置的，但在互联网领域我们可以无需关心实时优先级，只需考虑分时优先级。
  4. 之所以设置实时优先级的原因：为了让Linux操作系统能被更广泛的使用。

下面讲解 Linux 中的调度算法
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

  1. 优先级范围：[60, 99] 就是映射 [100, 139] 位置
  2. 宏观上：遍历 [100, 139] 位置的进程队列，可以按照优先级顺序进行进程调度。局部上：在同一个进程队列中的进程优先级都相同，此时取该进程队列中的第一个进程，进行进程调度，满足队列的 “先进先出” 特性。

1.活动队列

  • 时间片还没有结束的所有进程，都按照优先级放在该队列。
  • nr_active：总共有多少个运行状态的进程。
  • queue[140]：一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度，所以数组下标就是优先级！
  • 从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢？
  1. 从0下标开始遍历queue[140]。
  2. 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列。
  3. 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成！
  4. 遍历queue[140]时间复杂度是常数！但还是太低效了！
  • bitmap[5]：共140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用5*32个比特位表示队列是否为空，这样便可以大堆提高查找效率！

在这里插入图片描述

2.过期队列

如果 CPU 调度优先级为 x 的进程，当执行完一个时间片时，会将该进程丢进同等优先级 x 的进程队列的末尾处，此时若存在死循环进程，那么优先级低的进程将永远不会被进行。造成 “进程饥饿” 问题！为了解决该问题，运行队列（runqueue）中存在于活动队列结构一模一样的 “过期队列”。

注意：当创建了一个新进程，该进程将会被丢进活动队列中。

3.active、expired指针

  1. active 指针永远指向活动队列。
  2. expired 指针永远指向过期队列。
  3. 在 CPU 不断调度进程时，活动队列中的进程会越来越少，而过期队列上的进程会越来越多。
  4. 当活动队列中没有进程时（nr_active == 0），只需交换 active 指针和 expired 指针的内容，就相当于有具有了一批新的活动进程！CPU 继续执行调度进程工作。

总结：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。

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编程日记 2025/9/3 10:04:48

【最后203篇系列】027 基于消息队列的处理架构

起因 之所以写这篇文章&#xff0c;主要是梳理一下进展。因为同时研究好几块内容&#xff0c;切换起来要点时间。这次也是因为协作的同事们把各自的分工都搞定了&#xff0c;瓶颈反而在我自己这里&#xff0c;哈哈。 除了帮自己思路恢复过来&#xff0c;我觉得这方法可能也有…...

编程日记 2025/9/5 3:59:30

多线程与Tkinter界面交互

在现代图形用户界面（GUI）应用程序中，可能会遇到需要长时间运行的任务，例如网络请求、数据处理或文件读取等。如果这些任务直接在主线程中运行，会导致GUI界面“卡顿”或“不响应”。为了保持界面流畅和响应用户操作，我们可以通过使用多线程来将这些任务移到后台运行。然而…...

编程日记 2025/9/2 15:03:55

【工程开发】LLMC准确高效的LLM压缩工具（一）

​【文献阅读】LLMC: Benchmarking Large Language Model Quantization with a Versatile Compression Toolkit 北航 2024年10月 摘要 大语言模型&#xff08;LLMs&#xff09;的最新进展凭借其卓越的涌现能力和推理能力&#xff0c;正推动我们迈向通用人工智能。然而&#…...

编程日记 2025/9/6 14:44:34