Linux操作系统之进程（三）：进程优先级与进程切换调度

目录

前言

什么是进程优先级

进程优先级的查看

优先级的修改

 进程的切换

​​1. 为什么需要进程切换？​​

2、进程切换的过程

内核进程O(1)调度队列（Linux2.6）

补充知识

总结：

---

前言

在Linux操作系统的进程管理体系中，进程优先级是调度机制的核心要素。本篇文章，将会把进程切换调度过程与进程优先级结合起来给大家讲解。理解本篇文章内容需要有一定的Linux基础，欢迎大家订阅我的Linux专栏，阅读以往文章。（Linux专栏）、

---

什么是进程优先级

进程优先级本质就是：获得某种资源的先后顺序。比如，排队的本质是在确认优先级。

你会看到以下格式的信息矩阵：
 

UID表示当前进程所属的用户ID，我们可以通过这个知道是哪个用户启动的对应的进程：

1. 文件会记录下拥有者，所属组与对应权限
2. 在linux下一切皆文件
3. 我们的所有操作，都是进程操作，进程自己会记录是谁启动的我

以上三点，实现了权限的控制。 

我们可以看到，有两栏的属性代表是PRI与NI：

这两个属性代表着什么呢？

PRI的全称是priority，就是优先级的意思，NI的全称是NICE，是优先级的修正值。这个修正值是由用户来决定的。一个进程的最终优先级为：PRI（老优先级）+NI（修正值），比如老优先级为80，我们更改NI为9后，PRI会呈现89=80+9（老优先级+NI）。

一个进程的PRI越低，代表着这个进程的优先级越高，一般来说，我们自己写的代码，运行的程序都是普通进程，优先级都是80左右。

来验证一下以上的说法：

我们有以下文件：
 

Makefile：

# 定义编译器和编译选项
CXX = g++
CXXFLAGS = -Wall -std=c++11# 定义目标文件和可执行文件名
TARGET = process
SRC = process.cpp# 默认目标
all: $(TARGET)# 直接生成可执行文件（不生成.o文件）
$(TARGET): $(SRC)$(CXX) $(CXXFLAGS) -o $@ $<# 清理生成的文件
clean:rm -f $(TARGET)# 运行程序
run: $(TARGET)./$(TARGET).PHONY: all clean run

一个简单的循环代码：

process.cpp:

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>int main()
{int cnt=0;while(1){printf("hello cnt : %d , my pid : %d \n",cnt,getpid());}return 0;
}

使用make指令生成可执行文件process，运行；

随后在另外一个终端中输入ps -al指令，有以下结果：

 

可以看到，我们创建的这个进程的PRI为80

---

 

优先级的修改

想要修改优先级，我们有以下两种的方法：
1、通过指令：在终端输入nice renice top等指令可以通过对NI的数值进行调整来修改优先级（top->r->按照提醒对应输入值（有时候会出现OS不允许频繁修改或者没有权限修改的情况）），或者通过使用 chrt 命令来设置实时优先级。当然，chrt命令一般只有root超级管理员用户才能使用，普通用户是没有权限使用的。

2、第二种就是在代码里调用系统接口来进行优先级的设置了

系统调用​​：

• nice()：调整当前进程的NI值。
• setpriority()：修改指定进程的优先级。
• sched_setscheduler()：设置实时调度策略。

#include <unistd.h>
#include <sys/resource.h>// 方法1：调整NI值
nice(-10);  // 提高优先级（需root权限）// 方法2：通过setpriority
setpriority(PRIO_PROCESS, 0, -10);  // 当前进程，NI=-10// 方法3：设为实时进程（需root）
struct sched_param param;
param.sched_priority = 90;  // 实时优先级（1~99）
sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param);

 我们这里主要用top命令来给大家展示一下修改优先级：

重新执行./process:
 

随后我们新建一个终端，输入ps -al指令：

 我们可以看到，进程process的PRI为80，NI为0.

随后我们继续输入top指令，终端界面变为：

 

我们在键盘上点击r，界面会在中间新增一行： 

PID to renice：我们需要重新设置修正值进程的PID，那么我们输入对应进程PID，并按下回车

  随后又变为：

 需要设定的NICE值，由于我们不知道具体的NICE范围，所以我们随便输入一个值：100.回车，于是回到刚top的界面，按下ctrl c退出top

重新输入ps -al指令查看PRI与NI： 

我们可以发现我们的process进程NI已经变为了19，但我们输入的是100，这说明NI的最大值就为19，大家也可以看见，我们NI为19的时候，PRI值也变成了99，但是原来的PRI的值是80，这是因为我们之前说过： 一个进程的最终优先级为：PRI（老优先级）+NI（修正值）

process一开始的PRI为80，这是他的老优先级，我们NI输入为100，但最大就是19，所以默认就把NI改为了19，最后得到的新PRI为=80+19=99.所以我们一般更喜欢把这个优先级的修改叫做重置

同理我们输入一个比较小的负数-100，可以得到NI最小为-20。

也就是说，NI修正值的取值范围在[-20,19]间，一共有四十个取值。

为什么对NI限定了范围呢？

这是我们通常使用的是分时操作系统，在进程调度时追求的是尽量公平，如果可以随意调整NI，倘若我们修改的NI值太极端，这样会导致进程调度不公平，违背了我们的追求。

---

 进程的切换

进程切换（也称为 ​​上下文切换，Context Switching​​）是操作系统在多任务环境下，将CPU从一个正在运行的进程转移到另一个进程的过程。它类似于​​舞台上的演员换场​​——当前演员（进程）暂停表演，舞台（CPU）交给下一个演员，同时记录当前演员的状态，以便后续恢复。

​​1. 为什么需要进程切换？​​

• ​​CPU资源有限​​：单核CPU同一时间只能运行一个进程。
• ​​多任务需求​​：用户希望同时运行多个程序（如边听音乐边写代码）。
• ​​公平性​​：防止某个进程独占CPU，导致其他进程“饿死”。
• ​​响应性​​：高优先级进程（如用户交互）需要及时抢占CPU。

2、进程切换的过程

先给定以下概念：

1. 时间片，一个进程的时间片到了，进程就要被切换
2. Linux是基于时间片进行调度轮转的
3. 一个进程在时间片到了的时候，并不一定代表这个进程跑完了，它之后可以在任何地方被重新调度切换
4. 如大一入伍参军一年，若入伍前没通知学校，学校未为你保留学籍，你就去入伍了，是会被退学的（学校不知道你去干什么了）。进程也是如此，在被切换前需要保存历史运行痕迹，为了重新被切换时恢复学籍
5. 时间片到了，需要保留上下文数据，重新调度时，恢复上下文数据

这里需要重要理解一下上下文数据。 

再来理解一下进程切换的过程：

a、你的进程在运行的过程中，会有很多的临时数据，都在CPU的寄存器中保存：比如ebx，ecx，ecs，eds，cr0，ebp等寄存器。

b、CPU内部的寄存器的数据，是进程执行时的顺时状态信息数据（我们把这种数据，叫做CPU的上下文数据）

c、CPU中有很多个寄存器，整体我们称为一套寄存器。而寄存器，不等于寄存器里的数据（寄存器是被多个进程共享使用的）

进程切换的核心，就在于进程上下文数据的保存与恢复：时间片到了，需要进行切走，等待应该重新运行进程了，倘若你没有恢复上下文数据，你就只能重新运行该进程，而不是接着上次运行的代码运行，所以需要进行切回操作。

切走：将相关寄存器的内容，保存起来

切回：将历史保存的寄存器的数据，恢复到寄存器中

我们知道，临时数据是存储在寄存器，那么我们执行切走操作，那么相关寄存器的数据应该存放到哪里呢？？

答案就是在内存，进程的PCB中。

---

内核进程O(1)调度队列（Linux2.6）

讲完进程切换，接下来就是调度的理解。

在Linux系统中，​​进程优先级​​、​​进程切换​​和​​调度​​三者紧密关联，共同决定了CPU资源的分配方式。它们的关系可以用一个简单的比喻来理解：

• ​​进程优先级​​ → ​​VIP等级​​（决定谁更重要）
• ​​进程切换​​ → ​​换人上台表演​​（保存当前状态，切换到下一个）
• ​​调度​​ → ​​导演安排演出顺序​​（决定谁先上台）

调度是一个过程，这过程里随时会发生进程切换，进程切换的之后的下一个进程的决定规矩是由进程优先级所确定的。

在Linux2.6中有一个调度队列的代码结构：

我们主要只需要看这几个关键的代码就行：

 

对于优先级的存储，相同优先级的进程PCB会被连接到一起（链表的形式，这里类似于哈希表的开散列的形式，也就是链地址法，我在哈希表时有讲解：（链接））。这里面有两个queue[140数组。queue[140]前100个位置不用考虑，存储的是实时进程，而后40个正好对应我们用户所能修改到的真实的进程优先级——60-99： 

 

对于这两个queue数组，以及上面的*active与*espired指针，真实的结构是类似这样的：

我们有一个存储struct queue类型的数组array来存储两个queue数组，而这个array数组又是属于runqueue这个运行队列结构体。

array数组大小为2，正好对应了两个指针active与espired，所以每个指针都会分别指向一个array的元素，也就是一个queue数组：

而nractive代表该queue数组内的活跃的进程的数量，我们这里有个大小为5个int的数组bit_map。

这个充当是是一个位图的角色。

我们每个queue数组有140个位置，每个位置代表一个优先级，都可以有多个进程 。我们active指针所指向的queue数组里的进程，就是应该即将被执行的进程，当该进程的时间片耗尽，如果这个进程还未执行完毕，就会把这个进程连入到espired指针所指向的queue数组的相应位置。如果此时新增进程，也会被先连入espired所指的queue数组。

当我们的active所指向的queue中不在有进程了，我们只需要执行：

swap（&active,&espired）；

就能实现这个过程的循环往复。 

这里面会涉及到我们对于该执行进程的查找。那我们如何去寻找一个进程呢？

总不能一个一个的遍历吧？

此时就应该发挥bit_map的作用了，我们知道，一个int类型是4字节，32个比特位。那么5个int的数组就是160个比特位正好大于了queue的总大小140.

//充当位图

0000 0000 0000 0000 0000 ............. 0000 0000

对应比特位为1时，代表有进程。所以我们只需要进行for循环：

for(int i=0 ;i<5;++i)
{if(bit_map[i]==0){continue;}else    {//再从32比特位中寻找哪里有进程}
}

 这样就大大简化了查找进程的时间复杂度。

---

总结一下，

1、CPU调度只会从active所指向队列中的进程选择

2、调度有三种情况：
        a、运行退出了

        b、不退出，但是时间片到了：放入到expired队列，而不能被放到active

        c、有新的进程产生了：放入到expired队列，而不能被放到active

所以active队列中的进程一定会越来越少，当active为空，只需要swap（&active,&expired）。以上的结构被称为O（1）调度算法。

补充知识

1、所有的进程都要用链表的形式链接

2、进程可以在调度队列中，也可以在阻塞队列中

3、Linux的链式结构一定是双链表结构

我们之前一会说进程在这里，一会又说进程在那里。进程怎么可能同时存在在这么多地方呢？这就是靠了一个结构，进程的链式结构双链表也是基于这个形成的：

我们定义了一个专门的node结构体（实际上叫做list_head） ，来实现各种连接，而不是直接把next与prev指针定义在task_struct结构体里。（因为这样会增加维护的成本）

用这个node的意义是什么呢？

在task_struct中，我们可以有多个xxxnode的链表结构，通过这些不同的结构，我们可以将各种规则下的PCB链接起来形成不同的链表，如：

struct task_struct 
{// ... 其他字段（pid, state, priority等）struct list_head tasks;    // 链接到全局进程链表struct list_head children; // 链接到子进程链表struct list_head sibling; // 链接到兄弟进程链表// ... 可能还有其他链表
};

我们只需要知道一个链表，就可以找到该PCB的所有属性。

有人会感到疑问，你就知道一个tasks，你怎么找到其他属性，比如pid，children呢？

这是C语言的知识。

比如我们有一个结构体A：

struct A
{int a;char b;double c;float d;
};

他在内存的存储是由低到高的，比如我们构建一个A对象，打印各属性的地址，就可以发现a的地址等于整个对象的地址，小于b地址，小于c地址，小于d地址。

倘若我们只知道这个对象的c属性的地址，然后把这个地址减去c到a地址，也就是A对象的地址的大小，就可以得到a的地址，也就是整个对象地址，随后强制类型转化为一个A结构体，就可以访问任意成员元素了。

那么偏移量怎么获得呢？

我们把0地址转换为A类型，访问c成员的地址，就是偏移量：

 

如果觉得以上操作麻烦，并且经常用，可以定义一个宏。

C语言中专门有个关键字offset就是这样的功能：

 

总结：

本文紧跟上文进程状态的内容，对进程的优先级，进程的切换，以及操作系统对进程的调度过程进行了讲解。随后在补充部分，为大家解释了一下PCB在操作系统内核中的双链表实现以及对C语言offset功能的回顾。

文章写的可能比较乱，但都是我的第一时间的思路。如果大家有任何不懂得地方，或者我说错的地方。欢迎在评论区指正讨论！

谢谢！