Re：Linux系统篇（二十）进程篇·五：深入理解 Linux 进程优先级：从底层逻辑到实战修改

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文章目录

概要&序論
零、知识点
- 0.1竞争、独立、并行、并发
- - 0.1.1概念解释
  - 0.1.2喝咖啡
- [0.2 基于时间片的分时操作系统](#0.2 基于时间片的分时操作系统)
- - 0.2.1什么是时间片
  - 0.2.2时间片轮转机制的好处
[一、进程优先级的基本概念](#一、进程优先级的基本概念)
- [1.1 为什么要有进程优先级？](#1.1 为什么要有进程优先级？)
- - [1.1.1 资源稀缺性与排队机制](#1.1.1 资源稀缺性与排队机制)
  - [1.1.2 区分：优先级与权限](#1.1.2 区分：优先级与权限)
  - - [1.1.2.1 UID（User ID）](#1.1.2.1 UID（User ID）)
  - [1.1.3 进程优先级的正面作用](#1.1.3 进程优先级的正面作用)
- [1.2 Linux 下查看进程优先级](#1.2 Linux 下查看进程优先级)
- - [1.2.1 使用ps -l命令查看](#1.2.1 使用ps -l命令查看)
  - [1.2.2 核心指标：PRI 与 NI](#1.2.2 核心指标：PRI 与 NI)
- [1.3 进程优先级的计算公式](#1.3 进程优先级的计算公式)
- - [1.3.1 动态计算公式](#1.3.1 动态计算公式)
  - [1.3.2 Nice 值对最终优先级的映射](#1.3.2 Nice 值对最终优先级的映射)
- [1.4 Nice 值的取值范围与限制原因](#1.4 Nice 值的取值范围与限制原因)
- - [1.4.1 Nice 值的取值范围](#1.4.1 Nice 值的取值范围)
  - [1.4.2 为什么要把 Nice 值的范围限制得这么小？](#1.4.2 为什么要把 Nice 值的范围限制得这么小？)
- [1.5 优先级修改方法](#1.5 优先级修改方法)
- - 1.5.1优先级调整的特点
  - [1.5.2 命令行与系统调用修改方法](#1.5.2 命令行与系统调用修改方法)
  - 1.5.3权限与安全限制

概要&序論

Hello大家好我是此方 。在上一章中，我们彻底起底了僵尸进程与孤儿进程的底层逻辑。本期我们将突破 Linux 内核中一个至关重要的前置核心概念------进程优先级（Priority） 。

我们将从它存在的底层逻辑聊起，一路深入到 Linux 下的查看方法、核心计算公式、Nice 值的映射限制，再到最后的系统调用修改实战，帮助大家彻底看透操作系统调度的本质。好了，直接开始！

零、知识点

本文内容有点跳跃，在之前应该补充一些内容

0.1竞争、独立、并行、并发

0.1.1概念解释

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，更合理地竞争相关资源，便有了优先级。
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。

0.1.2喝咖啡

并发（Concurrent） ：咖啡店只有一台咖啡机（单核 CPU），前排了两条顾客长龙。咖啡师只能给 A 队做一杯，再转头给 B 队做一杯，通过高频无缝切换让两条队伍同时缓慢推进。虽然微观上某一时刻只能服务一个人，但宏观上两个队列都在向前推进。

并行（Parallel） ：同一家咖啡店直接升级安装了两台一模一样的咖啡机（多核 CPU）。两位咖啡师各占一台机器，同时在同一时刻为两位顾客制作咖啡。两个队伍在各自的物理设备上独立、同时推进，互不干扰。

怎么查看你的机器是单核还是双核？指令：

bash 复制代码

cat etc/cpuinfo

0.2 基于时间片的分时操作系统

早期的计算机采用的是单任务批处理系统，一个程序不跑完，后面的程序只能干等着。而现代 Linux 则是典型的分时操作系统。

0.2.1什么是时间片

内核为了让多个进程"看起来"是在同时运行的，会给运行队列中的每一个进程分配一段微小的 CPU 轮转执行时间，这个极其短暂的时间区域就叫做时间片（通常只有几毫秒到几十毫秒）。

0.2.2时间片轮转机制的好处

基于时间片轮转机制，Linux 的多任务运行呈现出一种独特的运行景观：

微观串行： 在极短的几毫秒（一个时间片）内，CPU 核心依然是严格单线程、串行地只执行某一个进程的指令。
宏观并行： 当一个进程的时间片耗尽，操作系统会立刻剥夺其 CPU 使用权，强行将其推回队列排队，并把 CPU 切换给下一个进程（这就是进程切换）。因为时间片极短且切换频率极高，在人类肉眼的宏观视觉下，就造成了所有程序都在同时流畅运行的"并行"错觉。

一、进程优先级的基本概念

在多任务操作系统中，CPU 的资源是有限的，而需要运行的进程往往有很多。为了保证系统高效、有序地运行，操作系统必须有一套机制来决定"谁先运行，谁后运行"，这就是进程优先级。

1.1 为什么要有进程优先级？

1.1.1 资源稀缺性与排队机制

进程优先级的存在，本质是因为CPU资源是稀缺的 。一个CPU核心在同一时刻只能处理一个进程的指令。

当系统中有大量进程同时维持在运行（R）状态时，它们就必须在运行队列中排队。优先级的高低，实际上就是决定在排队等待时，谁能够排在前面、谁能优先获得CPU的分配资源。

1.1.2 区分：优先级与权限

很多初学者容易将"优先级"和"权限"搞混，它们在操作系统中是完全不同的概念：

权限： 决定的是你能不能做某件事。例如，普通用户能否读取 root 权限的文件。
优先级： 决定的是你先做还是后做某件事。它假设你已经具备了执行的权限，只是在时间节点上进行排队。

1.1.2.1 UID（User ID）

在 Linux 内核中，系统用来识别用户身份、划分进程归属的硬核判据并不是"用户名"这样的字符串，而是一串数字------UID（User ID，用户标识符）。

内核对身份的数字化绑定 ：每当一个用户在终端启动一个程序时，内核在为其创建进程控制块（task_struct）时，会将该用户的 UID 直接写入其中。这意味着，系统中的每一个进程，底层都有那个UID数字。
UID 的划分规则 ：
- 0 ：超级用户 root 的 UID 永远是 0。最高权力。
- 1000+ ：现代 Linux 发行版中，普通用户的 UID 通常从 1000 开始往后顺序累加（如 1000, 1001, 1002...）。
如何查看 UID ：在终端输入 ps -l 或 ps -al 命令，输出结果中包含的 UID 列对应的数字，代表的就是该进程的拥有者是谁。

-n选项，以数字形式返回。 原本ll显示的是我们的用户名，这个用户名是被包装的。

那么回到我们的进程，我们为什么要突然插入uid的概念？访问一个文件，是什么去访问？进程去访问。进程访问进程怎么知道自己有没有能力去访问------看权限，权限来自哪里？来自UID，也就是用户。通了。

1.1.3 进程优先级的正面作用

合理配置和动态调整进程优先级，可以带来以下好处：

改善系统性能： 让关键的系统核心服务（如中断处理、音视频流实时解码）优先运行，避免卡顿。
提升用户体验： 交互式进程（如用户正在使用的窗口、鼠标键盘响应）会被赋予更高的优先级，使得系统反馈更加流畅、跟手。

在 Linux 的 O(1) 调度算法等底层设计中，优先级越高的进程，往往会被系统分配到更长、更充裕的时间片；而优先级较低的进程，分配到的时间片则相对较短。

1.2 Linux 下查看进程优先级

1.2.1 使用ps -l命令查看

在 Linux 终端中，我们可以通过输入 ps -l（或 ps -al实际上得加上这个a选项 ）命令来查看当前终端下进程的详细列表和硬核指标。

输入命令后，输出的头部字段通常包含以下信息：

bash 复制代码

F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S  1000  3214  3200  0  80   0 - 29115 do_wai pts/0    0:00:00 bash
0 R  1000  3521  3214  0  80   0 - 38312 -      pts/0    0:00:00 ps

1.2.2 核心指标：PRI 与 NI

在输出的众多列中，我们需要重点关注两个与进程优先级直接相关的核心指标：PRI 和 NI。

PRI（Priority，进程优先级）： 这是进程真正被 CPU 执行时的最终优先级指标。
- 数字越小，对应的优先级越高，意味着越先被 CPU 执行。
NI（Nice，谦让值/ nice 值）：
- 这是我们要手动或动态调整的修正数据。
- 它表示进程的"谦让程度"。Nice 值越小（负数），说明该进程越不想谦让，想要抢占更多 CPU 资源，从而拉低 PRI；Nice 值越大（正数），说明它越谦让，愿意把资源让给别人。

这样设计的好处：修改优先级的时候不需要知道优先级历史上是多少。

1.3 进程优先级的计算公式

1.3.1 动态计算公式

在 Linux 系统中，进程最终的优先级 PRI 并不是一成不变的，而是由系统基准值与 Nice 值共同叠加计算出来的。
其核心计算公式如下：

P R I ( 最终 ) = P R I ( 基准 ) + N I PRI_{(最终)} = PRI_{(基准)} + NI PRI(最终)=PRI(基准)+NI

基准值是多少？

在标准 Linux 内核中，普通进程的默认基准优先级 P R I ( 基准 ) PRI_{(基准)} PRI(基准) 通常固定为 80。

1.3.2 Nice 值对最终优先级的映射

通过公式我们可以非常直观地看出 Nice 值是如何干预进程优先级的：

当 N I = 0 NI = 0 NI=0 时（默认状态）： P R I ( 最终 ) = 80 + 0 = 80 PRI_{(最终)} = 80 + 0 = 80 PRI(最终)=80+0=80。
当 N I = − 10 NI = -10 NI=−10 时（不想谦让）： P R I ( 最终 ) = 80 + ( − 10 ) = 70 PRI_{(最终)} = 80 + (-10) = 70 PRI(最终)=80+(−10)=70。此时数字变小，优先级反而提升了！
当 N I = 15 NI = 15 NI=15 时（极度谦让）： P R I ( 最终 ) = 80 + 15 = 95 PRI_{(最终)} = 80 + 15 = 95 PRI(最终)=80+15=95。此时数字变大，优先级下降了。

核心口诀：

Nice 值为负数，进程变霸道，PRI 减小，优先级变高；

Nice 值为正数，进程变谦让，PRI 增大，优先级变低。

1.4 Nice 值的取值范围与限制原因

1.4.1 Nice 值的取值范围

为了防止某个进程无休止地调整 Nice 值从而彻底垄断或者搞崩溃系统，Linux 内核对 Nice 值的取值作了极其严格的界定：

Nice 值的取值范围 = [ − 20 , 19 ] \text{Nice 值的取值范围} = [-20, 19] Nice 值的取值范围=[−20,19]

总共只有 40 个级别 。

这意味着，无论你如何疯狂地尝试调小 Nice 值，系统允许的最低 Nice 值就是 -20。此时对应普通进程的最高优先级为 80 + ( − 20 ) = 60 80 + (-20) = 60 80+(−20)=60。同理，最低优先级为 80 + 19 = 99 80 + 19 = 99 80+19=99。

1.4.2 为什么要把 Nice 值的范围限制得这么小？

Linux 这样设计的根本目的，是为了防止"进程饥饿"（Process Starvation）。

操作系统必须要做到公平调度 。如果允许用户无限度地拉高或降低进程优先级 ，那么某些高优先级的恶意进程将会死死霸占住 CPU 资源，导致其他普通的后台进程、系统维持进程永远分配不到 CPU 时间片 （这个概念在后面讲）。

长时间得不到 CPU 响应的进程就会在队列里"饿死"，因此，Nice 值必须被锁死在固定的区间内。

1.5 优先级修改方法

1.5.1优先级调整的特点

优先级可以调整，不论是启动进程时还是进程运行中。

1.5.2 命令行与系统调用修改方法

1.5.2.1命令行工具

nice 命令：在启动进程时指定其初始 Nice 值。
renice 命令：在进程运行时动态调整其 Nice 值。

nice 示例：以较低优先级（Nice 值为 10）启动一个耗时的编译任务

bash 复制代码

nice -n 10 g++ main.cpp -o main

(注：如果不指定 -n 参数，nice 默认会把进程的 Nice 值设置为 10)

renice 示例：将一个正在运行的、PID 为 1234 的进程的 Nice 值调整为 5

bash 复制代码

renice -n 5 -p 1234

提高优先级（需要 root 权限）：将 PID 为 1234 的进程 Nice 值降到 -5（优先级更高）

bash 复制代码

sudo renice -n -5 -p 1234

1.5.2.2系统调用

需要包含以下头文件及函数原型：

cpp 复制代码

#include <sys/time.h>
#include <sys/resource.h>

int getpriority(int which, int who);
int setpriority(int which, int who, int prio);

1.5.2.3通过top命令交互式修改

进入控制台 ：在终端输入 top 运行性能监视器。
触发修改机制 ：在 top 界面中按下键盘上的 r 键进入 renice 调整模式。
选择进程 PID ：
- 此时界面会弹出提示：PID to renice [default pid = 24300]。
- 缺省参数 即为当前 top 列表中默认选中的 PID（如提示中的 24300）。
- 如果想修改特定进程，手动输入目标进程 PID（例如输入 25110）并回车。
修改 Nice 值 ：随后系统会提示 Renice PID 25110 to value ，在此处输入你期望修改的全新 Nice 值（范围通常为 -20 至 19）并回车确认。

1.5.3权限与安全限制

注意：出于安全考虑，操作系统不让你修改优先级过于频繁，可能会直接限制非 root 用户的降低 Nice 值（即提高优先级）操作。

解决方案 ：切换成 root 用户或使用 sudo 权限进行操作。

好的本期内容就到这里，如果对你有帮助，还不要忘记点赞三联支持。我是此方，我们下期再见。bye!

Re：Linux系统篇（二十）进程篇·五：深入理解 Linux 进程优先级：从底层逻辑到实战修改

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概要&序論

零、知识点

0.1竞争、独立、并行、并发

0.1.1概念解释

0.1.2喝咖啡

0.2 基于时间片的分时操作系统

0.2.1什么是时间片

0.2.2时间片轮转机制的好处

一、 进程优先级的基本概念

1.1 为什么要有进程优先级？

1.1.1 资源稀缺性与排队机制

1.1.2 区分：优先级与权限

1.1.2.1 UID（User ID）

1.1.3 进程优先级的正面作用

1.2 Linux 下查看进程优先级

1.2.1 使用ps -l命令查看

1.2.2 核心指标：PRI 与 NI

1.3 进程优先级的计算公式

1.3.1 动态计算公式

1.3.2 Nice 值对最终优先级的映射

1.4 Nice 值的取值范围与限制原因

1.4.1 Nice 值的取值范围

1.4.2 为什么要把 Nice 值的范围限制得这么小？

1.5 优先级修改方法

1.5.1优先级调整的特点

1.5.2 命令行与系统调用修改方法

1.5.2.1命令行工具

1.5.2.2系统调用

1.5.2.3通过top命令交互式修改

1.5.3权限与安全限制

一、进程优先级的基本概念