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🌟🌟所屬專欄：Linux

目錄

前言

一、進程優先級

1. 什么是進程優先級

2. 為什么有進程優先級

3. 進程優先級的作用

4. Linux進程優先級的本質

5. 修改進程優先級

二、進程切換

1. 概念?

2. 進程切換的過程

3. 進程切換的意義

4. Linux的進程調度（O(1)調度算法）

總結

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前言

? ? ? ? 本篇文章我們在了解了進程概念和狀態等基礎知識之上，繼續學習進程的優先級，以及進程切換相關知識。

正文開始

一、進程優先級

1. 什么是進程優先級

????????進程優先級是操作系統分配給進程的一種“權重”或“級別”，用來決定在多個進程同時競爭 CPU 資源時，哪一個進程先獲得運行的機會。優先級高的進程會被優先調度執行，低優先級的進程則可能需要等待。?

2. 為什么有進程優先級

? ? ? ? 大多數情況下，正在執行的程序數量是比較多的，而CPU資源有限。為了使那些重要、急需執行的任務先執行，就有了優先級。這樣一來，資源分配會得到優化，整個系統更加合理高效。

注：現代操作系統更加考慮進程獲取資源的公平性，優先級的差距不會太大。

3. 進程優先級的作用

? ? ? ? 進程優先級可以保證關鍵任務或實時任務及時調度（如操作系統內核進程通常優先級較高），并且可以防止某個進程長期占用 CPU，改善系統性能。其次，優先級可以實現多用戶或多任務下的公平資源分配。

4. Linux進程優先級的本質

? ? ? ? 在Linux下，進程優先級的本質就是一個整數，存儲在task_struct結構體當中，直接影響了進程調度的先后順序。進程優先級的值越小，優先級越高。

可以使用以下命令查看到當前所有進程的優先級：

ps -al

運行結果：

PRI：進程優先級的值，默認是80

NI：也叫做nice值，是進程優先級的修正數據。其取值范圍是[-20, 19]。

PRI的默認值(80) 和 NI 之和表示進程的真實優先級大小。也就是說，Linux進程優先級的范圍是[60, 99]，一共40個。

注：ps -l指令還可以看到當前進程的PID，父進程ID等。其中還有一項UID，它用來標識Linux下的用戶，進行用戶區分。當用戶創建進程時，進程會記錄用戶的UID，訪問文件時（本質是進程在訪問），進程就拿這個UID與文件的擁有者或所屬組的UID進行對比。

5. 修改進程優先級

? ? ? ? 在Linux下，修改進程優先級主要是通過修改nice值來完成（注意nice值的取值范圍）。可以使用top命令修改進程優先級：

輸入top --> 按“ r ” --> 輸入進程的PID --> 輸入新的nice值

注意：普通用戶只能給自己的進程設置優先級，且只能將優先級調低（nice值調高）；而root用戶可以在取值范圍內隨意調整任意進程的優先級。?

?接下來我們嘗試調整一個進程process的優先級：

process的源碼：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main()
{while(1){sleep(1);printf("hello\n");}return 0;
}

首先運行process，查看process的優先級：

可以看到process的優先級是80。接下來將nice修改為10：

這里process的PRI變成了90，而nice值為10。此時90是process的真實優先級。?

如果修改為-10：

可以看到，普通用戶下，將nice值調低是不被允許的。

如果改為100：

由于取值范圍的限制，nice值最高為19，輸入100只能將其改為19。

注意：如果優先級設置不合理，就會導致優先級低的進程長時間獲取不到CPU資源，導致進程饑餓。

二、進程切換

1. 概念?

? ? ? ? CPU在執行一個進程時，由于還有其他進程的存在，它不會一次將所有代碼全部跑完，而是跑一會后，轉而去執行其他進程，再來執行當前進程......這樣才可以在一段時間之內使得多個進程都有所推進。CPU從執行當前進程變為執行其他進程的過程叫做進程切換。

當代操作系統都是分時的，每個進程都有它相應的時間片（本質就是一個計時器）。當前進程的時間片用完后，就會切換到其他進程。

2. 進程切換的過程

????????一個進程在CPU上運行到時間片結束之后，首先存儲自己執行位置的上下文數據到自己的TSS（任務狀態段，存儲在task_struct當中）當中，然后將進程重新放入調度隊列隊尾。進程發生切換時，將新的進程的TSS中的數據拷貝（恢復）到CPU的對應寄存器中，繼續執行。?

進程的上下文數據指的是進程在運行時，需要保存和恢復的所有關鍵信息（例如發生切換時CPU寄存器中的數據），這樣就可以保證進程發生一系列切換后，重新執行該進程時，能從原來的狀態繼續執行。

3. 進程切換的意義

????????進程切換讓操作系統能管理多個進程，保證各進程能按照優先級獲得CPU使用權，是實現多任務的基礎。多個進程可以“輪流”運行，系統利用率和響應速度得以提高。

4. Linux的進程調度（O(1)調度算法）

????????高效的進程切換不僅保證了多任務系統的流暢運行，還直接影響著系統的響應速度與整體性能。為了實現快速、合理的進程調度，Linux內核采用了多種調度算法，其中O(1)調度器就是在2.6版本中所引入的一種重要算法。接下來，我們將深入了解O(1)調度算法，看看它是如何實現對大量進程的高效管理的。

? ? ? ? 在之前的文章中，我們提到過一個CPU維護一個進程調度隊列，該隊列中存放著一個個PCB，等待CPU對它們進行調度。實際上這個“進程調度隊列”遠遠比傳統的隊列復雜。在Linux中，進程調度隊列叫做runqueue，它的結構如圖所示：

一個CPU維護一個運行隊列runqueue，其中數組prio_array_t中的queue是存放進程PCB的關鍵。

queue本質是一個鏈地址法的哈希表，其中有140個哈希桶（前100個哈希桶表示實時優先級，剩余40個剛好對應40種優先級，所以哈希桶的下標 - 40就是進程優先級），相同優先級的進程task_struct存放在同一個哈希桶中，這樣，當需要調度時，按照下標小到大的順序掃描每一個哈希桶，先訪問到的進程就是優先級高的（因為優先級的值越小，優先級越高），然后拿出桶中的task_struct進行調度。

考慮到每次都要遍歷140個哈希桶，效率較低，所以有一個位圖bitmap，位圖中有5個32位的整形變量，加起來一共160位，其中的140位表示對應的哈希桶中是否有task_struct，所以可以直接判斷哪一位是“1”，就表示哪一個桶需要被訪問。除此之外，還有一個變量nr_active，表示整個哈希表中的元素個數，對應正在運行時的進程個數。

queue、bitmap、nr_active共同構成一個結構體，叫做rqueue_elem。

如此，訪問位圖，按順序找到存在元素的哈希桶，進行調度，整個調度過程效率就能達到O(1)。?

但是圖中的prio_array_t數組有兩個元素，也就是說有兩張哈希表，這是為什么呢？這就要從進程切換的角度開始談起了。

試想，如果只有一張哈希表，那么發生進程切換時會怎么樣？

假設第100個哈希桶當中有3個進程，第一個進程的時間片耗盡后，會發生進程切換，此時按照優先級，只能將它重新插入在當前哈希桶的鏈表尾部，當然，其他兩個進程也是如此。這樣雖然能夠完成這3個進程的輪流調度，但是更低優先級（也就是下標更大的哈希桶）的進程呢？當前哈希桶中只要有元素，CPU就會一直輪流調度當前哈希桶中的進程，而會忽略優先級更低的進程，導致進程饑餓。要調度優先級更低的進程，就必須等待當前優先級的進程全部調度完畢，顯然是不合理的，極大地損失了公平性。

因此，前輩們想到了一個巧妙的方法：再創建一個相同的結構體rqueue_elem，其中也包含一個queue、bitmap、nr_active，兩個rqueue_elem構成一個數組prio_array_t[2]。

然后創建兩個指針native和expired，分別指向prio_array_t[0]和prio_array_t[1]，native指向的表示“活躍隊列”；expired指向的表示“過期隊列”。當發生進程切換時，被調度結束的進程會插入到“過期隊列”的對應優先級的哈希桶中，然后繼續訪問“活躍隊列”中的哈希桶，一個個地調度。這樣，當前“活躍隊列”哈希桶中的元素就會越來越少，直到為0，就可以訪問優先級更低的哈希桶......最后所有進程都會被調度，而不是高優先級進程運行完畢后才能調度低優先級進程。

當“活躍隊列”整個哈希表內的進程都被調度過后（此時這些進程應全都位于“過期隊列”對應的哈希桶中），交換native和expired兩個指針的指向，這樣“過期隊列”就變成了“活躍隊列”，就可以開始下一輪的調度了。

如果有新進程出現，會直接插入“過期隊列”當中。此時新進程處于“就緒狀態”，等待一輪的調度結束后，新進程就可以被調度。

總結

? ? ? ? 本篇文章，我們系統地了解了進程優先級的定義、意義以及在Linux下的調整方法，也梳理了進程切換的基本流程與核心作用。從進程優先級到切換機制，再到Linux的O(1)調度算法，這些知識共同揭示了操作系統在多任務管理中的高效與精妙。掌握這些原理，有助于更深入理解和優化 Linux 系統的性能，為后續程序地址空間和進程控制的學習打下堅實基礎。如果你覺得博主講的還不錯，就請留下一個小小的贊在走哦，感謝大家的支持???