Linux进程（三）概念：进程优先级与进程切换篇

目录

一、进程优先级

1.概念

2.PRI和NI

PRI

NI（Nice 值）

3.查看进程优先级

4.竞争和独立

4.1进程独立

4.2进程竞争

5.并行和并发

并发（Concurrency）

并行（Parallelism）

例如：单核下多进程交替调度

对比

二、进程切换

1.进程切换

2.Linux2.6 内核进程 O (1) 调度队列

2.1一个 CPU 拥有一个 runqueue

2.2优先级

2.3活动队列 active

2.4过期队列 expired

2.5active 指针和 expired 指针

三、总结

一、进程优先级

1.概念

进程优先级，就是操作系统调度器选择哪个进程先上 CPU 运行的权重规则。 CPU 是稀缺资源，同一时刻 CPU 核心只能跑一个进程；调度器依靠优先级决定进程的调度顺序：

优先级越高，越容易抢到 CPU 时间片，被优先调度

优先级低的进程，只有高优先级进程不运行、让出 CPU 时才有机会执行

Linux 下：数字越小 → 优先级越高

核心目的：调度器倾斜资源，保证交互进程（shell、桌面程序）响应更快；后台批量任务可以降低优先级，不抢占前台。

2.PRI和NI

PRI

PRI（Priority）：内核维护的进程优先级，内核真正用来调度的数值Linux 下普通进程 PRI 范围：60 ~ 99

PRI 越小，优先级越高 PRI = 80 + NI （默认 NI=0，默认 PRI=80）

NI（Nice 值）

NI，nice 值，是用户可以手动修改的偏移量，用来调整进程的 PRI NI 取值范围：-20 ~ 19

NI = -20：最高 nice，PRI=60，优先级最高

NI = 0：默认值，PRI=80

NI = 19：最低 nice，PRI=99，优先级最低

公式：PRI(new) = PRI(old) + NI的变化

注意：用户不能直接修改 PRI！只能修改 NI，由内核根据 NI 重新计算 PRI只有 root 用户可以设置负数 NI（提高优先级）；普通用户只能设置正数 NI（降低自己进程优先级）

3.查看进程优先级

4.竞争和独立

4.1进程独立

进程是操作系统资源分配的基本单位。 每个进程有独立：地址空间、页表、文件描述符表、信号掩码、资源限额。 进程之间默认内存隔离：一个进程直接读写不了另一个进程的变量，互不干扰。

独立性是进程最重要特征。

代码验证进程独立：

#include <stdio.h> #include <unistd.h> int g_val = 100; int main() { pid_t pid = fork(); if(pid == 0) { // 子进程 g_val = 200; printf("子进程：g_val = %d, &g_val=%p\n", g_val, &g_val); } else if(pid > 0) { sleep(1); // 等子进程修改 printf("父进程：g_val = %d, &g_val=%p\n", g_val, &g_val); } return 0; }

编译运行：

gcc fork_test.c -o fork_test ./fork_test

输出示例：

子进程：g_val = 200, &g_val=0x55f87216a010 父进程：g_val = 100, &g_val=0x55f87216a010

现象：地址看起来一样，但实际是虚拟地址，物理内存已经发生写时拷贝，父子进程变量互不影响。证明进程内存独立。

4.2进程竞争

多个进程，争抢同一个系统资源（CPU、磁盘 IO、带宽、锁），就是竞争关系。 CPU 竞争就是优先级发挥作用的场景：多个就绪进程排队抢 CPU 时间片。 竞争带来问题：饥饿（低优先级进程长期抢不到 CPU 一直无法运行）。 Linux CFS 调度器通过调度策略缓解饥饿，不会让低优先级进程完全得不到调度。

竞争示例：两个死循环进程抢占 CPU

#include <stdio.h> #include <unistd.h> int main() { pid_t p1 = fork(); if(p1 == 0) { while(1){} } pid_t p2 = fork(); if(p2 == 0) { while(1){} } while(1){} return 0; }

运行后 top 看，三个进程均分 CPU；如果你修改其中一个进程 NI=19，它分到的 CPU 占比会明显变少。

5.并行和并发

并发（Concurrency）

一个 CPU 核心，快速切换多个进程，宏观上看起来同时跑微观上任意时刻，单核 CPU 只能执行一个进程；依靠时间片轮转快速切换。

关键词：交替执行、宏观同时、单核、时间片切换

例子：单核电脑一边听歌一边打字。操作系统快速在播放器进程、输入法进程之间来回切换。

并行（Parallelism）

多个 CPU 核心，同一时刻，多个进程真的同时运行每个核心跑一个进程，同一瞬间多条指令同时执行。

即多核、同一时刻真正同时跑

区分：

并发：宏观一起跑，微观交替跑（单核）

并行：宏观微观都一起跑（多核）

关系：并行一定属于并发；并发不一定是并行。

例如：单核下多进程交替调度

#include <stdio.h> #include <unistd.h> int main() { pid_t pid = fork(); if(pid == 0) { for(int i=0;i<5;i++) { printf("【子进程】计数 %d\n", i); sleep(1); } } else { for(int i=0;i<5;i++) { printf("【父进程】计数 %d\n", i); sleep(1); } } return 0; }

运行输出是交替打印，这就是并发效果。在单核机器上，它们是轮流上 CPU；多核机器上有可能并行。

对比

二、进程切换

在 Linux 2.6 内核之前，老版本调度器是 O (n) 算法，每次选下一个进程都要遍历就绪队列，进程一多，调度延迟就明显上涨。2.6 内核推出的O (1) 调度器一举解决了这个痛点，调度选择、入队出队操作都是常数时间，也是 Linux 调度演进里非常经典的设计。本文从 runqueue、优先级、active/expired 双队列，一步步拆解它的原理，同时关联进程切换。

1.进程切换

进程切换，就是 CPU 从正在运行的进程 A，切换到另外一个就绪进程 B 执行的过程，也叫上下文切换。 一次完整的切换分为两大块：调度选择+上下文切换。

调度器：从就绪队列里挑选下一个要运行的进程（这就是 O (1) 调度器负责的工作）；

上下文切换：保存当前进程 A 的寄存器、栈等上下文，加载进程 B 的上下文，CPU 跳转到 B 的指令继续执行。

调度队列就是给调度器准备好所有就绪进程的数据结构，没有调度队列，调度器就不知道该选谁运行。Linux 2.6 O (1) 调度器的核心舞台，就是 runqueue 运行队列。

2.Linux2.6 内核进程 O (1) 调度队列

O (1) 名字的含义：不管就绪队列里有多少个进程，挑选下一个进程的耗时固定，不会随着进程数量增加而变慢。这个目标，完全依靠 runqueue + active/expired 双优先级数组实现。

2.1一个 CPU 拥有一个 runqueue

O (1) 调度器采用per-CPU runqueue（每个 CPU 私有运行队列）设计：

多核环境下，每一个 CPU 核心，都单独维护属于自己的 runqueue；

就绪进程默认挂载到某一个 CPU 的 runqueue 上，减少跨 CPU 的锁竞争，提升多核性能；

runqueue 存放这个 CPU 上所有TASK_RUNNING（就绪）的进程；

不同 CPU 的 runqueue 互相独立，只有负载均衡的时候，才会把进程从一个 CPU 的 rq 迁移到另一个 CPU 的 rq。

即谁的 CPU，谁管自己的就绪进程。

2.2优先级

O (1) 调度器一共划分140 个优先级档位，数值越小，优先级越高：

0 ~ 99：实时进程优先级，实时进程优先级高于普通进程，抢占能力更强；

100 ~ 139：普通进程的静态优先级，用户可以通过nice调整（nice 范围 -20 ~ +19，对应 100~139）。

每个优先级，都对应一条独立的进程链表。同时配套一个bitmap位图，位图里每一个 bit 标记对应优先级链表上是否还有就绪进程。 调度器找最高优先级进程的时候，直接扫描 bitmap，找到第一个置 1 的 bit，就能定位到最高优先级链表，不需要遍历全部进程，这是 O (1) 的关键。

举例：bitmap 第 10 位为 1，说明优先级 10 的链表里面还有就绪任务，优先它。

2.3活动队列 active

活动队列（active 数组，prio_array）：存放还有剩余时间片的就绪进程。

新唤醒、新创建的就绪进程，会加入 active 队列；

CPU 调度的时候，只从 active 队列挑选进程运行；

进程被选中后，消耗自己的时间片；只要时间片还没耗尽，就留在 active 队列。

active 数组就是当前这一轮调度周期里，允许被调度执行的进程集合。

2.4过期队列 expired

过期队列（expired 数组）：存放时间片已经用完的就绪进程。

进程时间片耗尽后，调度器会重新计算这个进程下一轮的时间片，然后把它移出 active，插入 expired 队列；

expired 队列里的进程，在当前轮次不会被调度，要等 active 全部耗尽之后才有机会；

expired 里面的进程依然是就绪态，不是阻塞态，只是这一轮时间片用完 “排队等下一轮”。

2.5active 指针和 expired 指针

runqueue 里面并不是拷贝两份完整队列，而是维护两个指针：active指针、expired指针，分别指向两个prio_array优先级数组。

核心操作：指针交换当 active 指向的数组里面，所有进程的时间片全部耗尽、active 为空之后：

// 伪代码，交换指针 swap(rq->active, rq->expired);

交换之后：

原来的 expired 数组，变成新的 active，里面的进程获得新一轮时间片，可以开始被调度；

原来空掉的 active 数组，变成新的 expired，用来接纳后续时间片耗尽的进程。

亮点：交换只是交换指针的值，没有拷贝任何链表节点，开销极低，是 O (1) .

三、总结

1. 进程依靠优先级确定调度权重，用户只能修改 nice 值间接改变内核 PRI；进程具备资源隔离的独立性，同时会竞争 CPU 等资源；
2. 并发是时间片交替执行，并行是多核同时执行，二者概念不能混淆；
3. O (1) 调度器为每个 CPU 分配独立 runqueue，依靠 bitmap 快速定位最高优先级就绪进程；
4. active 存放有剩余时间片的就绪进程，expired 存放时间片耗尽的就绪进程；active 耗尽时直接交换 active、expired 指针，开启新一轮调度；
5. 调度器选出进程之后，触发上下文切换，保存旧进程上下文、加载新进程上下文，完成 CPU 使用权转移。

补充：O (1) 调度器虽然经典，但它对 IO 密集型交互进程的公平性存在短板，后续被 CFS 完全公平调度器取代。但是 per-CPU 队列、双数组轮转、位图快速查找的思想，是 Linux 调度学习的经典内容。