【Linux篇】你敢信？你的代码运行速度竟由这个‘隐形裁判’决定——进程优先级全解码

在操作系统中，进程调度是资源管理的核心部分之一，它决定了不同进程在处理器上的执行顺序。进程优先级切换则是调度中的关键决策点，它决定了哪个进程能够优先获得 cpu 时间。这一机制不仅影响着系统的响应速度和效率，还对多任务并发执行和资源分配产生深远影响。理解进程优先级的切换原理，不仅有助于优化系统性能，还能帮助开发者在设计高效应用时做出更合适的决策。接下来，我们将深入探讨进程优先级切换与调度的工作原理，揭开这一看似复杂过程的神秘面纱。

一. 进程优先级

1.1 基本概念

进程优先级是操作系统调度算法中的一个重要概念，它决定了系统中多个进程执行的顺序。每个进程在操作系统中都有一个优先级，优先级越高的进程越容易获得 CPU 时间片，从而先于优先级较低的进程执行。通常，进程优先级的设定和调度策略是动态的，会根据系统负载、进程的紧急程度、等待时间等因素进行调整。

1.2 查看系统进程命令格式：

示例：

UID：用户的身份，访问任何资源都是通过进程访问，进程代表用户。 PID：当前进程的唯一标识符。 PPID：当前进程的父进程的唯一标识符。 PRI：进程的优先级，默认60。 NI：进程优先级的修改数据，nice值。

1.3 查看进程优先级命令命令格式： 先按top,进入后 -> 按r -> 输入进程PID -> 输入nice值

1.3.1优先级的极值问题

Linux进程优先级极值范围：[60,99] Linux NI极值范围: [-20,19] 预备知识：进程真实优先级 = PRI(默认) + NI。

示例（如下图）：

问题1：按上述公式PRI = 80+(-100)=-20,所以上述pid为1103842进程的PRI应该为-20，而实际上为60，所以进程优先级的最小值为60，实例中输入的NI值为-100，而实际为-20，同时也可以验证NI最小值为-20。

问题2：按上述公式PRI = 80+100=180,所以上述pid为1103842进程的PRI应该为180，而实际上为99，所以进程优先级的最大值为99，实例中输入的NI值为100，而实际为19，同时也可以验证NI最大值为19。

1.3.2 相关概念

竞争（Race Condition）：多个进程同时访问/修改共享资源（如内存、文件）时，因执行顺序不确定导致的冲突。 并行（Parallelism）：真正同时执行多个进程（依赖多核CPU）。 并发（Concurrency）：单CPU上“快速切换”进程，让用户感觉同时运行（时间片轮转）。 进程独立性（Isolation）：进程拥有独立内存空间和系统资源，互不干扰。

二. 进程切换

2.1 基本概念

进程切换（Process Context Switch）是操作系统调度机制中的一个重要过程，它指的是操作系统将 CPU 从当前正在执行的进程切换到另一个进程的过程。每次进程切换时，操作系统需要保存当前进程的状态信息（如寄存器的值、程序计数器、堆栈等），然后加载下一个进程的状态，恢复其执行环境。

Linux内核源码（如下图）：

知道就行了，后面会展开说，很复杂?

2.2 时间片(Time Slice)概念：

时间片是操作系统中用于多任务调度的一种机制，它定义了每个进程在 CPU 上运行的最大时间量。操作系统通过将 CPU 时间分成多个小片段，每个进程轮流获得一个时间片，在该时间片内执行任务。时间片用尽时，操作系统会触发进程切换，将 CPU 分配给下一个进程，从而实现多任务并发执行。

存在意义：通过时间片调度，操作系统能有效管理多个进程之间的资源分配，提升系统的响应能力和任务并发执行效率。

三. Linux内核进程O(1)调度队列

调度队列结构如下：

如果有多个CPU就要考虑进程个数的负载均衡问题。

普通优先级：100〜139（我们都是普通的优先级，想想nice值的取值范围，可与之对应！） 实时优先级：0〜99（不关⼼）

3.1 活动队列

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，便可以提⾼查找效率！

3.2 过期队列

过期队列和活动队列结构⼀模⼀样 过期队列上放置的进程，都是时间⽚耗尽的进程 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。

3.3 active指针和expired指针

active指针永远指向活动队列 expired指针永远指向过期队列 可是活动队列上的进程会越来越少，过期队列上的进程会越来越多，因为进程时间⽚到期时⼀直都存在的。 没关系，在合适的时候，只要能够交换active指针和expired指针的内容，就相当于有具有了⼀批新的活动进程！

3.4 总结

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！

四. 最后

以上就是【Linux篇】你敢信？你的代码运行速度竟由这个‘隐形裁判’决定——进程优先级全解码的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！