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。

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。

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。内核通过公式 映射后值 = PRI - 40 将 100-139 转为 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。

在部分 ps 版本或显示模式中，普通进程的 PRI（优先级）会进行偏移修正（即减去 100），因此普通进程的优先级显示范围会变为 0-39。

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。下面PRI中显示的已经是真实的优先级。

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...]

-n：指定 Nice 值的调整幅度
--help：显示帮助信息。
--version：显示 renice 命令的版本信息。

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

top [选项]

常用选项

-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。

系统时间：当前时间、运行时间、在线用户数、系统平均负载。                                                                                                     
任务信息：任务总数、运行、睡眠、停止和僵尸任务的数量。                                                                                                                         
CPU 使用率：按用户、系统、中断、空闲等分类显示 CPU 的使用率。                                                                                                                      
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。                                                                                                                 
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。

PID：进程的唯一标识，可通过 kill PID 命令管理进程（如终止、暂停）。
USER：启动进程的用户。
PR：进程的调度优先级，数值越小优先级越高。
NI：nice 值，范围 -20（最高优先级）到 19（最低优先级），可通过 renice 命令调整。
VIRT：虚拟内存总量，包含物理内存、交换空间和未实际分配的内存，仅作参考（数值大不一定代表实际占用多）。
RES：物理内存实际占用大小，是判断进程内存消耗的核心指标（如 RES 持续增长需排查内存泄漏）。
SHR：共享内存大小，反映进程间内存共享程度（如多个服务进程共享库文件时 SHR 占比高）。
S	进程状态：
- R：正在运行或等待运行，数量多说明 CPU 负载高；
- S：休眠（等待事件），是正常状态；
- D：不可中断休眠（多因 I/O 阻塞），需排查设备故障；
- Z：僵尸进程，需找到父进程清理；
- T：被暂停，需手动恢复或终止。
%CPU：进程的 CPU 使用率，持续高占比（如超过 80%）的进程需排查是否存在死循环、计算密集型逻辑优化不足等问题。
%MEM：进程的内存使用率，结合 RES 可判断内存资源是否被过度占用（如占比超 50% 需评估是否优化）。
TIME+：总 CPU 时间，用于判断进程的运行时长和资源消耗趋势（如短期进程 TIME+ 激增可能异常）。
COMMAND：进程的启动命令，可通过命令路径或参数判断进程功能（如 nginx 是 Web 服务进程）。

（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。
 

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。

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) 活跃队列（Active Queue）

 - 时间片还没有结束的所有进程都按照优先级放在该队列
 - nr_active：总共有多少个处于运行状态的进程
 - queue[140]：一个元素就是一个进程队列，相同优先级的进程按照FIFO规则进行排队调度，所以，数组下标就是优先级！
 - 从该结构中，选择一个最合适的进程，过程是怎么的呢？
        - 从0下表开始遍历queue[140]
        - 找到第一个非空队列，该队列必定为优先级最高的队列
        - 拿到选中队列的第一个进程，开始运行，调度完成！
        - 遍历queue[140]时间复杂度是常数！但还是太低效了！
 - bitmap[5]：一共140个优先级，一共140个进程队列，为了提高查找非空队列的效率，就可以用
5*32个比特位表示队列是否为空，这样，便可以大大提高查找效率！

3) 过期队列（Expired Queue）

 - 过期队列和活动队列结构一模一样。

- 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。

当活动队列上的进程都被处理完毕之后，对过期队列的进程进行时间片重新计算

4) active 和 expired 指针

- active 指针指向活跃队列中的队列头（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跃队列 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：直接取活动队列最高优先级进程

- 查找活跃队列中的第一个进程，即 active 指针指向的进程。如果活跃队列中有可运行的进程，则将该进程加载到 CPU 并开始执行。反之，调度器会向后查找更低优先级的非空子队列。

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，同时其优先级会被动态调整（优先级越高，时间片重置后的值越大）。

- 这样活动队列里的进程会越来越少，而过期队列里的进程会越来越多

3) 切换活跃队列与过期队列

 - 当活动队列为空时，调度器交换 active 和 expired 指针（而非物理移动进程），让过期队列直接变为新的活动队列

4) O(1) 时间复杂度

 - 每个优先级对应独立子队列，插入、删除进程时只需操作对应子队列（时间复杂度 O (1)）；
 - 调度时通过 active/expired 指针直接定位目标队列，无需遍历所有进程；
 - 队列切换仅需交换指针，无进程移动开销。

总结
O(1) 调度算法通过使用 活动队列 和 过期队列，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。