【Linux】进程优先级

一、基本概念

Hello，大家好。本文我们要来介绍的是有关Linux下【进程优先级】，首先我们要了解的是其基本概念

• 在 Linux基础篇之权限 一文中我们有谈到过什么是权限，在Linux下有权限和无权限的区别在哪里。那现在的话我们就要来对比一下【权限】和【优先级】这两个概念
  • 权限：表示你能否做某事
  • 优先级：表示你对于资源的访问，谁先访问，谁后访问
• 所以对于优先级而言，我们是已经具备了做某事的权限，只是需要去考虑一个先后的问题

二、为什么会有进程优先级

接下去的话我们来谈谈为什么会存在进程的优先级这么一个东西

首先我想要问的是：读者有时候是否会觉得自己的电脑会比较得卡呢？

• 这是因为在计算机中，资源是有限的，而进程是多个的。所以注定了注定了 —— 进程之间是竞争关系！

所以操作系统必须保证大家良性竞争，确认优先级，才可以组织所有的进程一一运行

• 但如果进程长时间得不到CPU资源的话，该进程的代码将长时间无法得到推进，此时就涉及到《操作系统》这门学科的中的一个【饥饿问题】

不仅如此呢，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

所以呢，优先权高的进程有优先执行权利，有了优先级；才能使得一些重要的进程被率先执行

三、如何查看并修改进程优先级

知道了进程优先级的基本概念后，我们来Linux中看看它到底是个什么东西呢？

• 我们可以对运行起来的进程使用下列指令去查看其优先级

ps -al

• 此处我们要关注的是以下几个重要信息：
  • 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
  • NI ：代表这个进程的nice值

1、PRI and NI

那我们重点来讲解一下这两个信息值

• 对于PRI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

那有读者就很疑惑这个修正数值 的概念了

• 通俗简单一点来讲呢，就是进程的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。
• 我们可以试着去更改一下这个nice 的值。首先的话我们执行[top]指令，进入到Linux下类似于【任务管理器】的界面

• 接下去按下R/r之后，就会跳出来下面这句话，这里的renice指的就是要重新修改进程，此时 shell 正在等待我们输入进程的PID值，那我们就可以输入上方的635

PID to renice [default pid = 1]

• 然后呢，我们看到 shell 又在等待我们输入需要更改的nice值

Renice PID 635 to value

• 然后我们可以试着来更改一下这个nice 的值，一开始看到其为80，现在呢我们将其减去30，不过在执行结束之后发现跳出了一个Permission denied，那对Linux权限清楚的同学就可以知道此为【权限拒绝】

• 以上呢是因为权限受到了拒接，我们是以普通用户的身份去执行，那么现在呢我们切换到了【root】之后就可以百无禁忌┗|｀O′|┛了

那接下去呢，我们就来看看 root 到底有多少强大

• 下面是Linux对于【PRI】的计算公式，我们一起来看看

PRI(new) = PRI(old) + nice

• 此处可以观察到的是这个NI的值真的有发生变化，但是呢我们可以看到虽然修改的值为-30，但是最后去查看的时候却是-20，所以PRI的值就变成了[60]

那有同学就会对上面的事情非常疑惑，这是为什么呢？

• 上面我们说到，虽然存在这个【进程优先级】，但是呢我们可以通过修改NI的值去调整进程优先级，不过这个调整可不是让你乱调整的，Linux不想过多地让用户参与优先级的调整，所以存在这么一个取值范围是-20 ~ 19，一共40个级别。所以呢我们在调整【NI】的值时如果超出了这个范围的话也是会受到一定限制的。那么这个PRI的值就是在60 ~ 99之间，为闭区间
• 我们可以再去试试看输入一个大一点的值，它就会被限制在99这个地方，而不会再上去了。读者也可以去试一其他的值，也是一样的，只会被限制在这个区间内部

---

这里的话再补充一点，其实对于普通用户而言也是可以去设置进程优先级的，我们一起来看看

• 可以看到此处我是以普通用户的身份去进行，刚才我们输入-30遭到了Permission denied，但是呢现在但我们输入100的时候此时再出去查看这个进程的PRI值时却看到其确实也发生了变化

这里的话给读者普及一下

• 在Linux系统中其允许 root 用户设置负数优先级，以及减小现有进程的优先级数值大小；但是对于 普通用户 而言，我们虽然不可以设置负数优先级，但是呢却可以去设置【正数优先级】，可以去增大现有进程的优先级数值大小

以上就是如何去查看并修改当前进程的优先级，不过对于一个进程的优先级大家还是最好不要进行轻易的修改，否则的话会带来一些不必要的麻烦

2、位图的基本概念

这个概念的话我会在讲解C++专栏文章的时候详细说到，这里点到为之

首先我想问的是：操作系统是如何根据优先级，开展的调度呢？

• 首先我们要知道对于位图来说其实就是一整串的01序列，就像下面这样

0000000000000000001111111111111111111

• 我们假设现在位图的结构为以下的这个结构体，那么现在如果我们想要去找这个位图中的第N个比特位的话，就需要去做一个位运算

struct bitmap
{
	char bits[100];
}

• 因为bits数组中有100个元素，一个char类型的元素存在8个比特位，那么我们就可以通过计算当前下标和 pos 的值，然后进行一个位运算来得出这个N具体的所在位置

四、透过调度算法理解进程优先级

我们在讲解 进程的基本概念 时说到每一个CPU都要去维护一个运行队列即run_queue

• 我们看到这里有一个run_queue的运行队列，里面呢有两个指针数组，其里面存放的都是指向task_struct的结构体指针。这个指针数组的[0, 99]号下标一般都是不用的，给其他的进程使用的，所以我们使用的便是[100, 139]这个区间
• 那读者可以计算一下这个区间的数据有多少呢？没错，就是40！如果你有认真阅读本文的话就会对这个数字非常得敏感了，那即使我们在前面介绍进程优先级的时候所讲的NI，那时候的范围是[60, 99]，其中也包含40个数字

• 接着看到这个指针数组所指向的内容，每一个指针都指向了一个task_struct，即一个进程PCB，此后如果有相同优先级的进程来了，那么就像队列一样排在后面，如果有这个优先级不一样的进程，那么就链在其他结构体指针的后面
• 对于下面的这种结构来说，我们称之为【散列表 / 哈希表】，会在C++系列文章中介绍到

那读者应该可以感觉到这个操作系统中的进程是不断需要被执行的，那我现在想问：如果CPU现在正在调度这个运行队列，但此时又有新的进程过来了，此时该怎么处理这个进程呢？

• 我们看到在run_quque中其实还有两个二级指针，为【run】和【wait】，它们分别又指向了running和waiting，此时看到右侧的这个画面，它们其实是两个镜像队列，上面的队列正在被CPU调度运行，而下面的队列则为等待队列，如果是有新的进程需要被调度执行的时候就先链接到这个等待队列中

那有同学问：那一个队列就一直运行，另一个队列就一直等待吗？

• 这当然不会了，如果上方的运行队列中的进程都执行完毕了的话，此时就会执行下面的这句代码，将两个队列中的进程去做一个交换即可

swap(&run, &wait);

那我们要怎么知道这个当前的运行队列是否为空呢？

• 这里的话就需要使用到我们上面所讲到过的【位图】，我们在这个run_queue的结构体中再新增一个成员叫做is_empty的位图结构变量。
• 那我们现在定义一个char类型的数组，大小为5，那我们现在通过这个数组去遍历这个进程队列的时候，假设第一位为进程优先级为 60 的这一组是否为空、第二位为进程优先级为 61 的这一组是否为空。我们用0代表空，用1代表非空，那如果我们要去判断一下这个进程队列是否为空的话只需要看看这个 01序列是否为0即可，如果想要查找哪个进程优先级中的队列不为空的话，只需要去找这个序列中为【1】的即可

---

五、总结与提炼

最后总结一下本文所学习的内容

• 首先呢我们了解到了进程优先级的基本概念，其与【权限】不同的地方在于优先级我们是对于资源的访问，谁先访问，谁后访问
• 那存在进程优先级的原因在计算机中，资源是有限的，而进程是多个的，所以一定会存在着竞争关系。那如果有了【进程优先级】的话我们就可以 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
• 那一个进程既然存在优先级的话我们就可以试着到Linux中查看并修改它，此处我们主要是通过NI这个值去进行一个修改，但是呢我们在修改的时候要注意分寸，Linux为了防止用户去做过多的修改，就对这个NI的值做了一个限定，范围定死在了[60, 99]，所以我们过多地向上或者是向下进行修改的话，是不会超出限制的
• 最后呢，我们就通过这个操作系统底层的【调度算法】来进一步理解进程的优先级，再一步步完善这个run_queue这个运行队列的同时，我们很清楚地知道了操作系统面对如此多的进程，是怎样做好合理规划的呢，是通过维护两个镜像等待队列，交替执行里面的进程

以上就是本文要介绍的所有内容，感谢您的阅读