【Linux初阶】进程优先级 & 进程切换

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系列专栏：【Linux初阶】

✒️✒️本篇内容：进程优先级的基本概念，查看进程优先级，top指令修改进程优先级，进程切换的相关内容，CPU功能概括，CPU查找内存代码方法，时间片概念，进程数据保护与恢复

作者简介：本科在读，计算机海洋的新进船长一枚，请多多指教( •̀֊•́ ) ̖́-

目录

一、进程优先级

1.基本概念

2.查看系统进程 /查看进程优先级

（1）PRI and NI

（2）PRI vs NI

3.更改进程优先级命令 - top

4.相关概念（竞争性/独立性/并行/并发）

二、进程切换

1.CPU能干什么？

2.CPU是如何在内存中找到对应的代码的？

3.一个进程不会一直占用CPU资源运行直至进程结束

4.一个进程在CPU内会运行多久？

5.进程切换下进程得以推进的基础－进程数据保存与恢复
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一、进程优先级

1.基本概念

优先级和我们学过的权限有着本质的区别。权限是代表着一件事我们能不能做，而优先级代表的是一件事我们是先做还是后做的问题。

那么问题来了为什么会存在优先级呢？答案是计算机的资源是有限的。举一个例子，在一段时间内，要访问网卡的资源很多，但是网卡只有一个，唯有通过给进程设定优先级，重要的进程优先运行，最终实现资源的合理配置和运用。

Linux下的优先级设定十分简单，使得进程可以快速被选择和运行。事实上，优先级本质上是PCB中的一个整数数字（也可能是几个数字）。

补充：

• 进程的优先权/优先级（priority），就是cpu资源分配的先后顺序。
• 优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的linux很有用，可以改善系统性能。
• 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。

2.查看系统进程 /查看进程优先级

在linux或者unix系统中，用 ps –la 命令则会类似输出以下几个内容： 

 通过观察我们很容易注意到其中的几个重要信息，如下

• UID : 代表执行者的身份
• PID : 代表这个进程的代号
• PPID ：代表这个进程是由哪个进程发展衍生而来的，亦即父进程的代号
• PRI ：代表这个进程可被执行的优先级，其值越小越早被执行，进程名来源于priority前三个字母大写
• NI ：代表这个进程的nice

进程最终优先级 = 老的优先级（PRI）+  nice（NI）

Linux支持进程在运行中进行调整，调整的策略就是通过修改nice值（只能修改nice值），使得最终优先级改变。

（1）PRI and NI

PRI也还是比较好理解的，即进程的优先级，或者通俗点说就是程序被CPU执行的先后顺序，此值越小进程的优先级别越高。那NI呢?就是我们所要说的nice值了，其表示进程可被执行的优先级的修正数值。

PRI值越小越快被执行，那么加入nice值后，将会使得PRI变为：PRI(new)=PRI(old)+nice

无论我们如何修改nice值，PRI(old)的值都保持 80不变。 

这样，当nice值为负值的时候，那么该程序将会优先级值将变小，即其优先级会变高，则其越快被执行。所以，调整进程优先级，在Linux下，就是调整进程nice值。

为了防止优先级被人为过度修改，保证操作系统的基本运行。nice其取值范围是-20至19，即[-20, 19]，一共40个级别。最终我们可以知道 PRI(new) 的取值范围为[80 - 20, 80 + 19]。

（2）PRI vs 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

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3.更改进程优先级命令 - top

• top
• 进入top后按“r”–>输入进程PID–>输入nice值
• 输入“q”退出

Linux示例 ：

创建循环文件 

#include 
#include 

int main()
{
    while (1)
    {
        printf("pid: %d\n", getpid());
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

输入top指令后，再输入 r（renice为更改nice的含义）

注意：修改优先级可能需要root权限，可在 top 指令前加 sudo

 输入进程pid，开始修改

 修改完成后，输入 q，退出

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4.相关概念（竞争性/独立性/并行/并发）

• 竞争性: 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
• 独立性: 多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰（例：子进程崩溃不影响父进程继续运行）
• 并行: 多个进程在多个CPU下分别同时进行运行，这称之为并行
• 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

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二、进程切换

通过对上文并发概念的学习，我们知道了，在一段时间内，通过进程切换，可以让多个进程同时可以推进。那么进程切换是什么呢？它又是怎么实现的呢？为了解答这些问题，让我们开启下面的学习吧！

1.CPU能干什么？

首先，我们要知道CPU能干什么？

CPU概括起来，主要干三件事：1.取指令；2.分析指令；3.执行指令。

2.CPU是如何在内存中找到对应的代码的？

其次，我们要知道，CPU是如何在内存中找到对应的代码的？

• 每个CPU中都含有一套寄存器（一套内有多个），其中有部分关键寄存器储存了PCB（进程控制块）的地址，通过PCB就可以找到对应的代码数据（可以具体到某行或者某个指令）。
• 寄存器 pc/eip保存的就是当前正在执行指令的下一条指令的地址。
• 当我们的进程在运行时，一定会产生非常多的临时数据，这份数据属于当前进程！
• CPU内部虽然只有一套寄存器硬件，但是，寄存器里面保存的数据，只属于当前进程。
• 寄存器硬件  !=  寄存器内的数据

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3.一个进程不会一直占用CPU资源运行直至进程结束

上面的文章中，我们已经大概了解了CPU是如何获取代码的，接下来，我们还需要知道：

• 进程在运行的时候，占用CPU，但是，进程不是一直占有到进程结束。
• 例如有一个死循环程序在运行，假设他需要占用到进程结束，那其他程序将会被卡死，永远无法使用。事实上，这种情况并不存在，我们在循环程序运行过程中，依旧可以输入指令停止它的运行，或者进行一些其他的操作。

4.一个进程在CPU内会运行多久？

那一个进程在CPU内运行多久呢？这取决于该进程的时间片。

也是从这里开始出现了进程切换的概念。

每一个进程在Linux当中，都有属于自己的时间片。即CPU给予该进程的运行时间，一个进程运行特定时间后，无论这个进程是否运行完成，都会被CPU剥离下来，等待下一次运行，CPU会更换其他进程运行。

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5.进程切换下进程得以推进的基础－进程数据保存与恢复

为了进程在下一次被CPU运行时能够及时恢复正常运行，进程在被剥离下来时需要保存相关的运行情况的数据（这里的数据来源与CPU内的寄存器数据，此处我们暂时将它认为是保存到PCB中）。而在一个未运行完成的进程重新开始占用CPU运行时，它首先需要从PCB中将它对应的数据进行恢复。

举一个简单的例子，计算机正在编译第100行代码1+1 = ？，CPU获取到内存里的代码数据后，刚刚把结果2计算出来，该进程的时间片到了，进程被剥离下来。此时计算机会将寄存器中代码运行到哪一行（pc/eip）、具体运行数据、运行结果等等的临时数据保存起来到PCB中，再将进程剥离下来，让别的进程占用CPU运行。隔了一段时间，该进程重新占用CPU资源，恢复对应数据，重新开始运行，将结果2返回给内存，结束该进程。其他进程以此类推，如果没有运行完成则重复上述动作。

总结：进程在切换时，需要进行上下文保护。当进程在恢复运行时，要进行上下文恢复。寄存器（硬件）被所有进程共享，但是寄存器内的数据，只属于当前进程。

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那这时会有朋友问了，寄存器能放下我写的那么多的代码数据吗？

答案是不能的。但是，CPU只需要加载当前需要运行的这一行代码的相关数据就可以了，不需要将所有数据都加载到CPU中。

当然，你们可能也会有相关的担忧，进程的保护和恢复成本会不会很高？实际上，CPU/寄存器的速度远超我们常人的想象。

我们不得不接受的一个令人惊叹的事实是：CPU快得离谱。

我们常见的时间单位为：纳秒（ns，十亿分之一秒），毫秒（ms，千分之一秒），和秒（s）。在Core 2 3.0GHz（Intel Core 2 Duo 3.0GHz）上，大部分简单指令的执行只需要一个时钟周期，也就是1/3纳秒。即使是我们常见的电脑大型应用，CPU也可以在１秒内将它对应的程序运行很多遍，使得我们感觉上，好像是多个程序在同时运行。

举一个简单的例子，我可以在我的电脑上打开网易云音乐，微信，和CSDN，我可以一边挂着微信，一边听歌，一边写博客。

现在我们再回过头来看并发的概念，就不难理解　并发／进程切换　的实现原理了。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。通过进程切换，最终我们就可以实现并发式开发。

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  Linux进程优先级 & 进程切换 的知识大概就讲到这里啦，博主后续会继续更新更多Linux操作系统的相关知识，干货满满，如果觉得博主写的还不错的话，希望各位小伙伴不要吝啬手中的三连哦！你们的支持是博主坚持创作的动力！