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Linux操作系统：进程的切换与调度

news 2026/4/25 7:35:38

进程优先级

优先级概念

CPU资源稀缺。进程优先级是操作系统调度资源的重要依据，决定了多个进程竞争CPU时的执行顺序。高优先级进程通常能更快获得CPU资源，低优先级进程则可能被延迟处理。其核心作用体现在以下几个方面：
资源分配效率
操作系统通过优先级动态调整CPU时间片的分配。例如，实时任务（如视频解码）需要高优先级以确保流畅性，而后台任务（如日志记录）可设为低优先级，避免抢占关键资源。
系统响应性
交互式应用（如用户界面）通常被赋予较高优先级，确保用户操作得到即时响应。低优先级任务（如批量数据处理）则会在系统空闲时执行，减少对用户体验的影响。
负载均衡
在多任务环境中，优先级机制帮助平衡系统负载。突发的高优先级任务（如硬件中断）可临时抢占资源，处理完成后恢复正常调度，避免资源长期被单一进程独占。

PRI和NI

在Linux命令行输入ps -l命令会显示：

我们很容易注意到其中的几个重要信息，有下：

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
NI：代表这个进程的nice值（nice取值范围：-20 ~ 19）

PRI和NI的关系是：PRI（new）= PRI（old）+ nice。所以，在Linux系统下，调整进程的优先级，就是调整进程的nice值。

注意：

响到进程的优先级变化。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值会影响到进程优先级的变化
可以理解nice是进程优先级的修正数据。

查看进程优先级
使用ps -l命令可以查看当前用户的进程及其优先级（NI 列表示 nice 值）。例如：
ps -l
启动时设置优先级
通过nice命令启动新进程时直接指定优先级。优先级范围为 -20（最高）到 19（最低），普通用户只能调低优先级（即设置正值）。例如以优先级 10 运行命令：
nice -n 10 command
修改运行中进程的优先级
使用renice命令调整已运行进程的优先级。需指定进程 ID（PID）和目标优先级。例如将 PID 为 1234 的进程优先级改为 5：
renice -n 5 -p 1234
注意事项
只有 root 用户可设置负优先级（提高优先级）。
普通用户仅能调低自身进程的优先级。
优先级数值越大，进程获得的 CPU 时间越少。

进程的特性和时间片解释

进程的特性
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。
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。
什么是时间片
在操作系统中，总会有多个进程等待被CPU调度，这就是并发。每一个进程在调度队列里如果都想被轮到被CPU调度的话，那么每一个进程都会在CPU中以单位时间运行，过了时间就轮到下一个进程被调度，自己则回到队列末尾接着等待被调度。我们称这个单位时间为时间片
分时操作系统：按照进程的时间片快速轮转的调度进程，可以达到人类感官上几近“同时”完成多个任务。

进程的切换

在上面我们谈到了什么是时间片，因为有了时间片的约束，才让进程得以并发执行。那么当一个进程的时间片用完，这个老进程就会从CPU身上剥离下来，接着放入队列中的下一个进程。我们称这个行为叫做进程的切换。简单地说，就是切换CPU上的进程。

但以上是很笼统的理解。要真正理解他的工作细节，需要明白一个CPU中都有一个寄存器，而寄存器是用来存放进程留下的临时数据的，我们把在CPU内部寄存器的和进程相关的所有内容叫做硬件上下文。比如说进程A进入CPU时，会在寄存器中存下进程A产生的临时数据，那么当进程A从CPU上剥离的时候也要让进程A带走他的临时数据，否则就会被后来的进程B的硬件上下文给覆盖掉，那么等下次又轮到进程A调度的时候，他的数据就会丢失。

进程的调度

一个CPU拥有一个Runqueue（运行队列）

观察上图的队列结构，重点放在蓝色框框与红色框框

单独观察框内元素有：nr_active、bitmap[5]、queue[140]

这三个元素的具体作用会在【CPU的调度算法原理】中清楚说明。

CPU的调度算法原理

这里讲的是进程在如何在CPU中被调度的，他的原理是什么。Runqueue运行队列是Linux系统内核中非常重要的一个组成部分。它是用于管理所有的进程和线程的队列，使它们能够按照特定的优先级被调度执行。

优先级队列一共有140个元素（注意这里的优先级队列是嵌套在runqueue中的queue[140]，这里不要搞混了）。在CPU调度的时候，就是要排查queue中所有不为空位置，也就是没有进程需要被调度。
为了更高效的查找队列的每个位置上是否为空（无进程），因此就有了bitmap[5]（位图），他的数据类型是unsighed，所以他的总大小为160个bit位（5 x 32 = 160），但我们只用140个bit位，这个位图就跟二进制序列一样，例如：011100010.... 1就代表队列不为空，0就代表为空。所以我们就把遍历队列的工作简化为了对位图的操作。通过位图就可以每跨32位找一次，提升了效率。
在系统中进程的优先级(pri)大小范围是 [ 60，99]，也就是40个优先级顺序位置，如上图所示，runqueue的结构里有一个大小140位的queue。！系统会根据这140个优先级不同，将进程列入到不同的队列当中，每一个队列标记着一个优先级，
如右图所示，后40个bit位，从100位到139位，从上到下遍历所有的队列是否为空，不为空，CPU就调度此处队列链起来的进程。进程PCB的双链表结构比较特殊，可以点击链接进行了解。虽然优先级的范围是60 --> 99，而右侧图片中红色数组优先级区域的范围是100 --> 139，但不影响pri+40映射到数组的下标，这其实用了一个开散列的哈希表。注意：每一个数组的节点对应的是一个队列头节点，而这每一个队列里都可以有多个进程。在相同的优先级的进程当中才用FIFO算法调度。
每一个节点通过这个双链表将进程PCB连起来。
补充：优先级队列的前100位是针对实时进程的，而后40位是管普通进程的
接着观察runqueue的结构图，可以看见有红色区域和蓝色区域分别有两个140队列：
两个队列的分工：
活跃队列：放时间片未用完的就绪进程；CPU只在这里选进程运行。
过期队列：放时间片已用完的进程；新就绪的普通进程也放这里。
而红色数组和蓝色数组又嵌套在一个arrays[2]的结构体数组中，再有两个指针分别是：
active：指向第一组队列（活跃），就是图片中蓝色区域的
expired：指向第二组队列（过期），即红色
为什么这样设计呢？因为CPU只看活跃队列，按优先级进程。当时间片用完，那么这时中需要将active* 和 expired*指向的内容swap，也就是交换一下，那么CPU就可以调度原来的过期队列了，轮流反复。这样的设计就可以避免低优先级队列得不到调度的问题（饥饿问题）！！！
在我们包裹着优先级队列的array数组当中还有一个nr_active调度器，也叫计数器。用来统计当前array数组内所有队列中就绪进程的总数量，如果nr_active为0，那么就直接交换active*和expired*。