优先级的权杖：进程世界的‘王位争夺战’

    在多任务操作系统中，进程的优先级是决定其执行顺序的重要依据。Linux 作为一个支持多用户、多任务的操作系统，通过优先级机制来确保系统资源能够合理分配，从而满足不同类型任务的需求。理解进程优先级不仅能帮助我们优化程序性能，还能为定位系统问题提供有效的思路。

1 基本概念

- cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先级（priority）。

- 优先级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。

- 优先级也是一个整数，值越低，表明优先级越高

UID（user id）

2. PRI and NI

在 Linux 系统中，进程优先级由两个关键指标共同作用PRI（Priority） 和 NI（Nice Value）。

2.1 PRI（Priority）— 动态优先级

PRI 是内核使用的动态优先级值，用于决定进程的调度顺序。它是实际调度的依据，影响进程在 CPU 调度中的优先级高低。

- 范围：  
  PRI 的范围通常是 0-139，分为两部分：
  - 实时优先级：0-99（用于实时进程）。
  - 普通优先级：100-139（用于普通进程）。

普通进程的优先级范围是 100-139，但一些文档中提到的 60-99 是调度器内部映射的范围，并非实际的 PRI 值。内核将 `100-139` 映射为更小的范围（如 `60-99`），以便优化调度器的权重计算和处理性能。因此，这只是内核实现中的优化，而非用户可见的 PRI 值变化。此时PRI为默认80。

2.2 NI（Nice Value）— 静态优先级

NI 是用户空间可见的优先级值，用户可以通过它调整进程的初始优先级，进而间接影响 PRI 值。可以说NI是进程优先级的修正数据。

- 范围：  
  NI 的取值范围是 -20 到 19，默认值为 0。
  - -20 表示最高优先级。
  - 19 表示最低优先级。

 进程真实的优先级 = PRI（默认） + NI

2.3 修改进程优先级

修改进程优先级：top -> r -> pid -> 修改数据

值得注意的是，进程优先级永远是默认的PRI 加上修正值 

修改为10

 再修改-10，这是得到的值是80（默认PR）-10，而不是90-10

优先级的极值

 将修正值设为-100和100

 由上面结果可以看到，优先级区间为[60, 99]，nice值为[-20，19]

优先级设置不合理，会导致优先级低的进程长时间得不到CPU资源，进而导致进程饥饿

3. 查看进程优先级的命令

3.1 nice

`nice` 用于以指定的nice值启动一个新进程。  
语法：

  nice [OPTION] [COMMAND [ARG]...]

参数：
  - `-n, --adjustment`：设置 `nice` 值的调整量，范围为 `-20` 到 `19`，默认为 `10`。
    - `-20`：最高优先级（最低 `nice` 值）。
    - `19`：最低优先级（最高 `nice` 值）。

使用示例
 1. 启动进程并降低优先级
启动 `myprocess 并设置 `nice` 值为 `10`：

nice -n 10 ./myprocess

 2. 提高优先级
设置 `nice` 值为 `-5`（需要超级用户权限）：

sudo nice -n -5 ./myprocess

3.2. renice

`renice` 用于调整已运行进程的 `nice` 值。  

语法：

  renice [OPTION] priority [IDENTIFIERS...]

参数：
  - `priority`：新的 `nice` 值，范围为 `-20` 到 `19`。
  - `IDENTIFIERS`：指定的进程标识符，可以是以下之一：
    - PID（进程号）。
    - PGRP（进程组号，需加 `-g` 选项）。
    - 用户（需加 `-u` 选项）。

选项：
  - `-p`：默认，表示通过PID调整。
  - `-g`：通过PPID调整。
  - `-u`：通过用户调整。

使用示例
1. 调整单个进程的优先级
将进程优先级设置为 `5`：

renice -n 5 -p 1234

2. 调整进程组的优先级
将进程组号为 `5678` 的所有进程设置为 `10`：

renice -n 10 -g 5678

3. 调整某用户所有进程的优先级
将用户 `user1` 的所有进程优先级设置为 `15`：

renice -n 15 -u user1

权限要求：
- 普通用户：
  - 只能增加 `nice` 值（降低优先级）。
  - 无法将 `nice` 值降低到负值。
- 超级用户（root）：
  - 可以任意调整 `nice` 值，包括设置负值。

nice 值越小，`PRI` 越低，优先级越高。
nice 值越大，`PRI` 越高，优先级越低。

3.3 top

`top` 是 Linux 中常用的实时性能监控工具，显示系统的资源使用情况和活动进程。通过它，可以查看 CPU、内存、任务、负载等信息，并对进程进行交互式管理。

1. 命令基础
语法

top [选项]

常用选项
| 选项                 | 说明                                                                           |
|---------------------|----------------------------------------------------------------------|
| `-d <秒>`          | 指定刷新间隔时间，默认是 3 秒。                            |
| `-p <PID>`        | 仅显示指定 PID 的进程。                                          |
| `-u <用户名>`   | 仅显示指定用户的进程。                                           |
| `-n <次数>`       | 运行指定次数后退出。                                              |
| `-b`                    | 批处理模式，用于脚本或文件保存。                        |
| `-i`                     | 忽略闲置和僵尸进程，仅显示活动进程。                 |
| `-o <字段>`       | 按指定字段排序（如 `%CPU`、`MEM` 等）。         |

示例
1. 显示某用户的进程：

   top -u alice

2. 每秒刷新一次并忽略闲置进程：

   top -d 1 -i

2. `top` 界面解析

全局状态信息
在 `top` 的输出顶部，会显示系统的全局状态，包括系统性能、任务和资源使用情况。

| 行序 | 字段               | 说明                                                                                                                                                                    |
|------|--------------------|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| 1    | 系统时间           | 当前时间、运行时间、在线用户数、系统平均负载 (`load average`)。                                                                                                      |
| 2    | 任务信息           | 任务总数、运行、睡眠、停止和僵尸任务的数量。                                                                                                                          |
| 3    | CPU 使用率         | 按用户、系统、中断、空闲等分类显示 CPU 的使用率。                                                                                                                       |
| 4    | 内存使用信息       | 显示物理内存的总量、已用、空闲和缓存/缓冲区占用情况。                                                                                                                  |
| 5    | 交换分区信息       | 显示交换分区的总量、已用、空闲及缓存到交换分区的内存量。                                                                                                                |

进程详细信息
下方是活动进程的详细列表，显示系统中每个进程的实时状态。

| 字段     | 说明                                                                                      |
|----------|-------------------------------------------------------------------------------------------|
| PID      | 进程 ID。                                                                                 |
| USER     | 启动进程的用户。                                                                          |
| PR       | 进程的优先级。                                                                            |
| NI       | 进程的 `nice` 值。                                                                        |
| VIRT     | 进程占用的虚拟内存总量，包括物理内存和交换空间。                                            |
| RES      | 进程占用的物理内存大小，不包括交换空间。                                                    |
| SHR      | 共享内存的大小（进程之间共享的内存）。                                                      |
| S        | 进程状态：`R`（运行），`S`（睡眠），`D`（不可中断睡眠），`Z`（僵尸），`T`（停止）。           |
| %CPU     | 进程的 CPU 使用百分比。                                                                    |
| %MEM     | 进程的内存使用百分比。                                                                     |
| TIME+    | 进程启动以来占用的总 CPU 时间（用户模式和内核模式）。                                       |
| COMMAND  | 运行进程的命令名或路径。                                                                   |

3. 交互式操作
在 `top` 界面中，可以使用以下快捷键对显示内容和进程进行交互操作。

常用快捷键
| 快捷键 | 功能                                               |
|--------|----------------------------------------------------|
| `h`    | 显示帮助菜单，列出所有快捷键。                     |
| `q`    | 退出 `top`。                                       |
| `z`    | 切换颜色高亮显示。                                 |
| `l`    | 切换显示平均负载和系统运行时间的第一行信息。         |
| `t`    | 切换任务和 CPU 信息显示。                          |
| `m`    | 切换内存和交换分区信息显示。                       |
| `1`    | 显示每个 CPU 的单独使用情况（多核系统）。           |
| `c`    | 显示或隐藏完整命令行（默认只显示命令名）。          |
| `n`    | 更改显示的进程数。                                 |
| `u`    | 按用户过滤进程。                                   |
| `k`    | 杀死指定进程（需输入 PID）。                       |
| `r`    | 更改指定进程的优先级（需输入 PID 和新 `nice` 值）。 |
| `P`    | 按 CPU 使用率排序。                                |
| `M`    | 按内存使用率排序。                                 |
| `T`    | 按运行时间排序。                                   |

4. 竞争、独立、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。

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。

5. 进程切换

进程切换是指操作系统暂停当前运行的进程，并将 CPU 资源分配给另一个进程的过程。这种切换由内核负责，是实现多任务操作系统的重要机制。

进程切换最核心的，就是保存和恢复当前进程硬件上下文数据，即CPU内寄存器的内容。这些内容会被保存到task_struct中。

1. 为什么需要进程切换？
多任务操作系统需要支持多个进程同时运行，而 CPU 在任意时刻只能执行一个任务。进程切换通过时间分片和资源调度，让用户感觉多个任务同时进行，从而实现**并发**或**并行**。

2. 进程切换的触发条件
进程切换可以在以下情况下触发：

1) 时间片到期
- 使用时间片轮转调度算法时，当前进程的时间片耗尽，操作系统会切换到下一个进程。
  
2) I/O 或阻塞操作
- 当前进程请求 I/O 设备（如读写文件、网络操作），导致进程进入阻塞状态，操作系统会调度其他进程运行。

3) 优先级调度
- 高优先级的进程就绪时，低优先级进程会被暂停，CPU 切换到高优先级进程。

4) 主动让出 CPU
- 进程调用系统调用（如 `sched_yield()`）主动放弃 CPU，切换给其他进程。

5) 硬件中断
- 当外部设备产生中断（如键盘输入、网络数据到达）时，当前进程会被暂停，切换到处理该中断的中断处理程序。

6) 系统调用
- 进程发起某些系统调用（如文件操作、内存分配）时，可能会切换到内核态或其他进程。

3. 进程切换的步骤
进程切换涉及保存当前进程的状态，并加载另一个进程的状态。

1) 保存当前进程的状态
- **保存 CPU 寄存器内容**：包括程序计数器（PC）、栈指针（SP）和通用寄存器。
- **保存内存管理信息**：如页表指针。
- **更新进程控制块 (PCB)**：将当前进程的状态更新为“就绪”或“等待”。

2) 切换上下文
- 调度器选择下一个要运行的进程。
- 加载该进程的 PCB 和内存上下文。

3) 恢复新进程的状态
- 恢复目标进程的 CPU 寄存器、栈指针等信息。
- 将目标进程的状态设置为“运行”。

总结
- 进程切换是多任务操作系统中实现并发的重要机制。
- 切换由操作系统内核管理，包括保存和恢复进程上下文。
- 虽然进程切换有开销，但通过高效调度算法可以降低影响。
- 深入理解进程切换有助于优化系统性能和任务调度。

6. O(1)调度算法

在系统当中查找⼀个最合适调度的进程的时间复杂度是⼀个常数，不随着进程增多而导致时间成

本增加，我们称之为进程调度O(1)算法！

Linux 中的 O(1) 调度算法是一种高效的进程调度方式，其设计目的是在常数时间内完成进程调度决策，不论系统中运行的进程数目有多少。这是通过合理组织数据结构（如 `runqueue` 和优先级队列）来实现的。

6.1 关键数据结构

1) `runqueue`（运行队列）
- 每个 CPU 上都有一个 `runqueue`，它包含了所有处于就绪状态的进程。
- `runqueue` 中的进程按照优先级进行组织，进程根据其优先级分配到不同的队列。

2) 活动队列（Active Queue）
- 活动队列存储的是当前时间片内应该运行的进程。
- 这些进程是高优先级的进程，通常会被安排在 CPU 上执行，直到它们的时间片用完或有 I/O 操作。

3) 过期队列（Expired Queue）
- 过期队列存储的是已经耗尽时间片的进程，这些进程暂时不能继续执行，需要经过优先级调整后，才能重新回到活动队列中。
- 过期队列中的进程等待下一个周期的调度。

4) `active` 和 `expired` 指针
- `active` 指针指向活动队列中的队列头（最优先的进程）。
- `expired` 指针指向过期队列中的队列头。
- 通过这两个指针，调度器可以快速地从活动队列或过期队列中选择一个进程进行调度。

5) 优先级
- Linux 中的进程优先级决定了进程的执行顺序。O(1) 调度算法采用优先级队列来区分不同优先级的进程。
- 进程有不同的优先级级别，在 Linux 的 O(1) 调度中，优先级被划分为 **多个优先级队列**，每个队列对应一个优先级范围。

6.2 O(1) 调度算法的工作原理

O(1) 调度算法的核心思想是 保持每个优先级的活动队列 和 过期队列，并通过一个常数时间复杂度的操作来完成进程调度。它的实现方式是通过两个主要的队列管理进程的优先级和运行状态：

1) 当 CPU 空闲时
- 查找活动队列中的第一个进程，即 `active` 队列指针指向的进程。
- 如果活动队列中有可运行的进程，则将该进程加载到 CPU 并开始执行。

2) 进程时间片耗尽
- 如果进程的时间片耗尽，它会被移到过期队列 `expired` 中，并且会降低优先级。
- 然后，调度器会将过期队列中的进程迁移到活动队列，并重新排序。

3) 从活动队列和过期队列中调度进程
- 活动队列：首先检查 `active` 队列。`active` 队列中保存着当前时间片内可以运行的高优先级进程。如果有进程准备好运行，则直接调度该进程。
- 过期队列：如果活动队列为空，或者没有更高优先级的进程，则调度器检查 `expired` 队列中的进程。
  - `expired` 队列中的进程需要重新调整优先级后，再放回到 `active` 队列中。

4) 切换活跃队列与过期队列
- 进程时间片耗尽后，调度器会将所有活跃队列中的进程移到过期队列。
- 当一个队列为空时，调度器会交换 `active` 和 `expired` 指针。
  - 比如，如果活动队列为空，`active` 指针指向过期队列，`expired` 指针指向活动队列。

5) O(1) 时间复杂度
- 由于每个队列中的操作（如插入、删除、查找）都是常数时间操作（O(1)），因此无论进程的数量是多少，调度决策都可以在 **常数时间** 内完成。

总结
O(1) 调度算法通过使用 活动队列（Active Queue）和 过期队列（Expired Queue），结合 active 和 expired 指针，实现了高效的进程调度。该算法确保了调度操作在 常数时间复杂度 下完成，无论进程的数量如何变化，都能保持较低的开销。通过这种方式，Linux 能够在保证高效调度的同时，平衡系统资源，确保任务公平性和响应性。