系統核心解析：深入操作系統內部機制——進程管理與控制指南（三）【進程優先級/切換/調度】

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????????前面我們已經學習了進程的前置知識，今天這一篇博客我們繼續來學習進程，準備好了嗎~我們發車去探索進程的奧秘啦~🚗🚗🚗🚗🚗🚗

進程優先級😜

基本概念😘

Linux 中的進程優先級😍

PRI 和 NI😜

優先級計算公式😄

查看進程優先級😀

調整進程優先級的方法😋

使用 nice 和 renice 命令🙃

使用 top 命令動態調整😁

使用系統調用 setpriority 和 getpriority👍

總結與對比🐷

進程的競爭性、獨立性、并行與并發😊

進程切換（Context Switching）😀

什么是進程切換？😊

為什么會進程切換？?

進程切換步驟😭

Linux O(1) 調度器😍

理論核心架構😜

調度過程 😜

隊列交換 🙃

為什么叫O(1)算法？👌

總結🐷

進程優先級😜

基本概念😘

1. 什么是進程優先級？

? ? 進程優先級（Priority）是操作系統調度器用來決定哪個進程先獲得 CPU 資源的一種機制，優先級高的進程會優先被調度執行。注意優先級與“權限”不同：優先級決定的是“誰先誰后”，而權限決定的是“能否訪問”。

2. 為什么需要進程優先級？

? ? 資源有限性：CPU 資源有限，而進程數量眾多，需要通過優先級合理分配資源。

? ? 系統性能優化：通過調整進程優先級，可以確保關鍵任務優先執行，提升系統整體性能。

Linux 中的進程優先級😍

PRI 和 NI😜

? ? PRI（Priority）：進程的實際優先級，值越小優先級越高。

? ? NI（Nice）：用于調整 PRI 的修正值，用戶可通過修改 NI 來間接影響 PRI。

優先級計算公式😄

PRInew?=PRIold?+nice

? ? ????????nice 的取值范圍為 -20 到 19，共 40 個級別【Linux 是一個分時操作系統，這一個范圍也保證了一定的公平公正】，過度調高某個進程的優先級可能導致其他進程“饑餓”【其他進程無法得到調度和CPU資源】。

? ? ????????PRI 的范圍一般為 60 到 99（Linux 默認范圍），Nice 值的 40 個級別（-20 到 19）正好一對一地映射到優先級（PRI）的 40 個級別（60 到 99）上。 NI 是用戶可見的、可調整的“輸入”，而 PRI 是內核內部實際使用的“輸出”值。

查看進程優先級😀

使用 ps -l 或 ps -al 命令

? ? 我們可以發現【ps -l】和【ps -al】查詢到的進程是兩種不同的結果~這也就是它們的區別所在，我們來看看下面的對比表格~

特性	`ps -l`	`ps -al`
顯示范圍	僅當前終端	所有終端
用戶范圍	僅當前用戶	所有用戶
進程數量	較少	較多
終端顯示	僅當前終端 (pts/0)	多個終端 (pts/0, pts/1)

? ? ? ? 除此之外，我們還可以發現進程的 PRI?都為 80，NI?都為 0——這正是 Linux 進程調度默認行為的體現~

????????在大多數 Linux 系統中，80 是用戶進程啟動時的默認基準優先級。這個值（具體數值可能因內核版本和發行版略有不同，但 80 非常常見）被設計為調度隊列中的一個中間值。這意味著新創建的進程不會天然地擁有很高或很低的優先級，它們在競爭 CPU 時間時處于一個相對公平的起跑線上。

????????0 是默認的 Nice 值。Nice 值是用戶或系統用來對默認優先級進行微調的修正值。一個為 0 的 NI 值表示“不做任何調整”，所以進程的最終優先級 PRI 就等于默認的基準優先級 80 + 0 = 80。

調整進程優先級的方法😋

使用 `nice` 和 `renice` 命令🙃

?????????nice 用于啟動一個進程并指定其 nice 值，renice 用于修改已運行進程的 nice 值~

非特權用戶只能調低優先級（提高 nice 值），不能調高（降低 nice 值）~

# 啟動一個進程（code)并設置 nice 值為 10
nice -n 10 ./code# 修改已運行進程（PID=4340）的 nice 值為 5
renice -n 15 -p 4340

注意事項：普通用戶只能降低優先級（增加 NI 值），只有 root 用戶才能提高優先級（設置負的 NI 值）。nice 用于啟動新進程時設置，renice 用于修改已運行進程的優先級。

使用 `top` 命令動態調整😁

命令行輸入top；

按 r；

輸入進程 PID；

輸入新的 nice 值。

按q退出

注意事項：這是交互式實時調整，同樣受權限限制（普通用戶不能設置負值）【與 renice 命令完全相同。在 top 界面中，如果你是普通用戶，嘗試輸入負值會得到 “Operation not permitted” 的錯誤】修改僅對進程的當前運行實例有效，進程重啟后恢復默認優先級。

使用系統調用 `setpriority` 和 `getpriority👍`

注意事項：需要在程序代碼中調用，主要權限限制與命令行相同。必須包含完善的錯誤處理（如檢查返回值），適合在應用程序中實現自適應的優先級管理。

總結與對比🐷

特性	`nice` / `renice` 命令	`top` 命令	系統調用
使用場景	命令行、腳本	交互式實時監控與調整	程序內部集成
控制對象	新進程 / 已存在進程	已存在進程	自身或其他進程（編程控制）
靈活性	高	交互式，中	最高，可編程邏輯控制
權限要求	普通用戶只能降級	普通用戶只能降級	普通用戶只能降級
持久性	進程運行期間有效	進程運行期間有效	進程運行期間有效
主要優勢	簡單直接，易于腳本化	實時直觀，結合系統監控	靈活自動化，嵌入程序邏輯

通用重要注意事項：

權限是核心：記住 -20 到 -1?【負值】的區間是 root 的“特權區”。

公平性：不要濫用高優先級，否則可能導致系統資源饑餓（Starvation），影響其他重要進程和系統整體穩定性。

非永久性：所有修改都只在進程生命周期內有效，進程重啟后設置失效。

進程的競爭性、獨立性、并行與并發😊

競爭性：多個進程競爭有限的 CPU 資源，優先級用于解決競爭問題。

獨立性：進程之間相互隔離，一個進程的崩潰不會直接影響其他進程。

并行：多個進程在多個 CPU 核心上同時執行。

并發：多個進程在一個 CPU 核心上通過時間片輪轉交替執行，宏觀上間隔時間很短看似同時運行。

進程切換（Context Switching）😀

什么是進程切換？😊

????????進程切換是指操作系統將當前正在運行的進程掛起，并恢復另一個進程執行的過程。這個過程也叫做 CPU 上下文切換（CPU Context Switching）。

? ????????? 那么什么是上下文呢？前面對于進程學習，我們簡單介紹了一下上下文數據~? ?接下來我們來看看什么是CPU上下文？

理論：CPU上下文指的是在任務（進程/線程）執行時，CPU寄存器和程序計數器在任意時刻的狀態。CPU內的寄存器只有一份，但是上下文可以有多份，分別對應不同的進程。寄存器存儲著進程的臨時數據、地址、狀態信息，程序計數器（PC）存儲著下一條要執行的指令地址。

比喻：這就像 一個廚師的工作臺當前狀態——哪些食材正在處理、刀放在哪、火開到多大、菜譜翻到了哪一頁。這一切定義了“工作做到哪一步了”。

為什么會進程切換？?

理論：操作系統為了實現并發（Concurrency），讓多個進程在一段時間內“看起來”同時運行。當一個進程的時間片用完、或需要等待I/O操作、或有更高優先級進程就緒時，就需要切換。

比喻：餐廳經理（操作系統）為了保證公平性和效率，規定每個廚師一次只能在廚房工作一段時間（時間片）。時間到了就必須換人，讓其他廚師也能用廚房，防止一個廚師霸占廚房。

進程切換步驟😭

保存上下文 (Save the Context):
- 理論：將當前進程的CPU寄存器狀態全部保存到它的內核棧（Kernel Stack） 中。
- 比喻：廚師A被叫出廚房前，他必須迅速而準確地在自己的記事本（內核棧） 上記下所有工作狀態：“洋蔥切了一半，還剩3個，湯用中火燉了5分鐘，鹽放了2勺...”。
選擇下一個進程 (Pick Next Process):
- 理論：由操作系統的調度器（Scheduler） 從就緒隊列中選擇一個最合適的進程來運行。
- 比喻：餐廳經理查看任務板（運行隊列），根據優先級規則，決定接下來讓哪位廚師（進程）進入廚房。
恢復上下文 (Restore the Context):
- 理論：將下一個要運行進程的上下文信息，從其內核棧中加載到CPU的各個寄存器中。
- 比喻：廚師B進入廚房。他并不關心上一位廚師做了什么。他拿出自己的記事本，按照上面的記錄恢復工作現場：“哦，我上次魚煎到一半，油溫是七成熱，下一步該翻面了...”。
跳轉執行 (Jump and Execute):
- 理論：將程序計數器（PC）設置為新進程的下一條指令地址，CPU開始執行新進程的代碼。
- 比喻：廚師B看了一眼記事本上記錄的下一步驟，然后開始繼續操作。

Linux O(1) 調度器😍

理論核心架構😜

運行隊列 (Runqueue):

理論：Linux為每個CPU核心都維護一個struct runqueue（運行隊列）結構。這是調度的核心數據結構。

比喻：這家餐廳的每個廚房（CPU核心） 都有自己獨立的任務管理區（運行隊列），這樣多個廚房可以同時工作，互不干擾，避免了廚師們擠在一個任務板前爭吵（避免了鎖競爭）。

優先級數組 (Priority Arrays) - 活動隊列與過期隊列:

理論：每個運行隊列包含兩個prio_array_t結構的數組：活動隊列（active） 和 過期隊列（expired）。

活動隊列 (active)：存放所有時間片尚未耗盡的就緒進程。

過期隊列 (expired)：存放所有時間片已經耗盡的就緒進程【新增進程/時間片到了的進程】

比喻：每個廚房的任務管理區都有兩塊巨大的白板：

“正在叫號”板 (Active Board)：上面掛著所有還有工作時間的廚師的訂單。

“等待換班”板 (Expired Board)：上面掛著所有工作時間已用完的廚師的訂單。

隊列結構 (Queue Structure):

理論：每個prio_array_t包含：

queue[140]: 一個包含140個鏈表的數組。每個鏈表（queue[i]）都是一個FIFO隊列，存放著所有優先級為i的進程。下標即優先級，目前我們主要了解O(1)調度算法如何管理調度下標為【100-139】的普通進程，【0-99】的實時進程的管理調度后面再繼續了解~

bitmap[5]: 一個5*32=160位的位圖（bitmap），每一位代表一個優先級隊列是否為空（1為非空，0為空）。用于快速查找最高優先級的非空隊列。

比喻：

“正在叫號”白板上有140個掛鉤（queue[140]），編號從0到139。編號越小，代表優先級越高（VIP掛鉤）。

每個掛鉤上可以掛一串訂單（進程鏈表），同一掛鉤上的訂單優先級相同，按先來后到的順序排隊。

經理手邊還有一個電子指示屏（bitmap），上面有140個小燈，每個燈對應一個掛鉤。如果某個掛鉤上有訂單，對應的燈就會亮起。經理一眼掃過屏幕，就能立刻知道哪個編號最小的亮燈掛鉤（即最高優先級的非空隊列）。

更加形象可以看看下面這張圖片：

調度過程 😜

理論步驟：

調度器查看active->bitmap，找到第一個被設置的位（即優先級最高的非空隊列）。

從active->queue[i]中取出第一個進程。

將該進程投入運行。

當該進程的時間片用完，它會被從CPU上剝離。

調度器重新計算它的時間片和新優先級（可能根據其行為交互式還是計算型進行動態調整），然后將其放入expired->queue[k]中（k是計算出的新優先級）。

重復步驟1-5，直到active隊列為空。

比喻步驟：

經理查看電子指示屏，找到編號最小的、燈還亮著的掛鉤（比如101號）。

他走到101號掛鉤前，取下最前面的那個訂單，叫對應的廚師（比如廚師A）進廚房工作。

廚師A在廚房工作，直到經理喊“時間到！”。

廚師A出來，經理根據他剛才的表現（是一直在切菜（CPU密集型）還是經常等送食材（I/O密集型）），重新評估他的效率，并給他分配新的下次工作時間（重置時間片）。

然后經理把廚師A的訂單掛到 “等待換班”板 的對應優先級的掛鉤上（比如新優先級變成了105）。

經理繼續從“正在叫號”板叫下一個廚師。

隊列交換 🙃

理論：當active隊列完全為空時，調度器只需執行一個簡單的指針交換操作：swap(active, expired)。之后，原來的過期隊列變成新的活動隊列，而空的活動隊列則成為新的過期隊列。

比喻：當 “正在叫號”板 上的所有訂單都被處理完，變得空空如也時。經理并不慌張，他做了一件非常聰明的事：直接把“正在叫號”和“等待換班”兩塊白板的標簽互換！瞬間，滿是訂單的“等待換班”板變成了新的“正在叫號”板，而空的板子則成為了新的“等待換班”板。所有等待的廚師又都有了新的工作時間。

為什么叫O(1)算法？👌

理論：無論系統中有多少進程，查找下一個要運行的進程的時間都是一個常數。因為它不遍歷所有進程，而是通過查詢固定大小的bitmap（常數時間）和操作固定數量的隊列（140個）來完成。

比喻：無論餐廳有多少等待的廚師，經理決定下一個叫誰的時間都是一樣的。他只需要看一眼固定大小的電子指示屏，而不是從頭到尾數一遍所有廚師。