进程优先级

基本概念 

• cpu资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）。 
• 优先权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；
• 还可以把进程运⾏到指定的CPU上，这样⼀来，把不重要的进程安排到某个CPU，可以⼤大改善系统整体性能。

优先级是先后问题，权限是是否能得到的问题。

进程的优先级是task_struct内的属性，是一个整型变量，值越低，表明优先级越高，反之则越低。

我们在这为下一篇进程的切换和调度铺垫一下，我们当代Linux或者大部分我们所用的操作系统，这些操作系统都叫做基于时间片的分时操作系统。我们先抛出来时间片的概念，在我们当代计算机里面，我们的每一个进程都分有时间片：

• 定义：时间片是操作系统分配给每个进程的一段CPU使用时间。当一个进程的CPU时间用完时，它会被挂起，操作系统会将CPU分配给另一个进程。

• 目的：确保所有进程都能公平地获得CPU时间，避免某个进程长时间占用CPU，导致其他进程无法执行。

考虑公平性，优先级未来可能变换，但是变化幅度太大。

在基于时间片的分时操作系统中，优先级的变化是动态的，但变化幅度需要谨慎控制以确保系统的稳定性和公平性。如果优先级变化过大，可能会导致优先级低的进程长时间得不到CPU资源的分配，进而导致进程饥饿。因此，系统设计时需要平衡优先级的变化幅度，以避免对系统性能产生负面影响。动态优先级调度算法通过动态调整进程的优先级，能够更灵活地满足不同进程的需求，提高系统整体性能和任务处理效率。同时，调度器的决策过程往往基于当前所有进程的优先级来进行，选择优先级最高的进程分配CPU时间。当多个进程优先级相同时，则可以采用其他调度策略，如时间片轮转或随机选择。动态优先权调度算法的效率在很大程度上取决于其数学模型，模型需要平衡系统资源的利用和进程的响应时间。 

查看系统进程

在linux或者unix系统中，⽤：

ps -al | head -1 && ps -al | grep mycmd | grep -v grep
//-a:显示全部
//-l:查看优先级

该命令则会类似输出以下⼏个内容：

我们很容易注意到其中的⼏个重要信息，有下：

UID（User ID）

• 定义：代表执行进程的用户身份。

• 作用：用于区分不同用户启动的进程，是进程安全和权限控制的基础。

• 示例：在Linux里面，识别用户不是通过用户名，而是通过UID，如果UID为1000，通常表示该进程是由用户ID为1000的用户启动的。

可以使用：

ls -ln

显示用户ID：

 比如说我们的文件在创建的时候就写入了文件创建者的ID（UID），然后我们进程在进行启动的时候，进程自己也会将自己的UID保存起来，表明这个进程是谁启动的。

所以：系统怎么知道我访问文件的时候，是拥有者，所属组，还是other？

对于权限，在我们访问文件的时候，我们有时候是拥有者，有时候是所属组，有时候是other，我们是可以直接'' ll ''看见的，但是系统是只认数字的，而且当我们要touch，cat，vim等，访问某些文件的时候，本质就是进程在访问文件，我们说使用的指令访问就是进程在访问文件，那我们的文件又是怎么知道访问他的进程是拥有者/所属组/other呢？因为这个进程在启动时会把自己的UID（谁启动的他，假设是我），这个文件如果是之前我创建的，这个文件会记录下来是我创建的他，那么，我们一个进程，将来的时候拿着他的UID和文件所对应的UID作对比，相等的话是拥有者，不相等查下一个，相等的话就是所属组，再不行等的话就是other。

也就是说，Linux系统中，访问任何资源，都是进程访问，进程就代表用户

PRI（Priority）

• 定义：代表进程可被执行的优先级。（默认是80）

• 作用：决定进程被CPU调度执行的顺序，PRI值越小，优先级越高，越先被执行。

• 示例：PRI为10的进程比PRI为20的进程有更高的优先级。

NI（Nice）

• 定义：代表进程的nice值，是进程优先级的修正数值。

• 作用：通过调整nice值，可以影响进程的PRI值，从而影响进程的执行优先级。nice值越低（越负），优先级越高。

• 示例：如果一个进程的nice值为-5，那么它的PRI值会相应降低，从而提高其优先级。

我们为什么还要有一个NI来进行对优先级的间接调整，这是我们进程的调度算法才会说到，我们先直接输出结论： 

进程的真实优先级PRI=80（默认PRI）+NI；（一定要注意，第一次NI先改为10，PRI为90，我们第二次将NI改为-10，结果并不是80，是70）（以80为改变点）（这里是一个坑）

因为我们如果每一次都基于上次的优先级进行调整，那么我们就还需要改之前查一下当前的PRI是多少，是比较麻烦的。 

我们并不是很喜欢一直手动变化进程优先级，他是动态变化的，改得太多可能会影响进程间的调度平衡。

我们可以手动改变进程优先级：

⽤top命令更改已存在进程的nice：

• top
• 进⼊top后按“r”‒>输⼊进程PID‒>输⼊nice值

注意：

• 其他调整优先级的命令：nice，renice
• 系统函数：

优先级极值问题

在 Linux 系统中，进程的优先级（Priority）默认值为 80，而 nice 值的范围是 [-20, 19]。因此，通过调整 nice 值，进程的优先级范围可以计算如下：

• 最小优先级：当 nice 值为 -20 时，优先级为 80 + (-20) = 60。

• 最大优先级：当 nice 值为 19 时，优先级为 80 + 19 = 99。

因此，Linux 系统中进程优先级的极值范围是 [60, 99]。

优先级极值的调度影响：

• 优先级过低（接近99）：优先级过低的进程可能会长时间得不到 CPU 资源的分配，导致进程饥饿。为了避免这种情况，操作系统通常会采用老化（Aging）机制，即随着时间的推移逐渐提高进程的优先级。

• 优先级过高（接近60）：优先级过高的进程可能会过度占用 CPU 资源，影响系统的公平性和其他进程的响应时间。

优先级调整的限制：

为了避免优先级变化过大导致系统调度的不公平性或饥饿问题，操作系统通常会限制优先级的调整幅度。例如：

• nice 值的范围：nice 值的范围被严格限制在 [-20, 19]，以确保优先级的变化不会过于剧烈。

• 动态调整机制：操作系统会根据进程的行为（如 CPU 使用时间、等待时间等）动态调整优先级，但调整幅度会受到限制。

在基于时间片的分时操作系统中，优先级极值的合理设置和调整对于系统的公平性和性能至关重要。通过限制 nice 值的范围和引入动态调整机制，操作系统可以有效避免优先级过高或过低带来的问题，同时确保所有进程都能获得合理的 CPU 时间。

补充概念：竞争、独立、并行、并发

竞争性（Concurrency）

• 定义：在多任务操作系统中，多个进程可能需要访问同一资源（如CPU、内存、文件等）。由于资源有限，进程之间会相互竞争这些资源。

• 目的：通过优先级机制，可以更合理地分配资源，确保重要任务优先执行，从而提高系统的整体效率和响应速度。

• 例子：在只有一个打印机的办公室中，多个用户需要打印文件，打印机资源就是竞争对象。

独立性（Independence）

• 定义：每个进程都是一个独立的执行单元，它们在运行时互不干扰，每个进程有自己的地址空间和资源。

• 目的：独立性确保了进程的安全性和稳定性，即使一个进程出现问题，也不会影响到其他进程的运行。

• 例子：多个用户在电脑上运行不同的应用程序，每个应用程序都是一个独立的进程，它们之间互不干扰。

并行（Parallelism）

• 定义：多个进程在同一时间内在不同的CPU上同时执行。

• 目的：通过并行处理，可以显著提高计算效率和处理速度，特别是在多核CPU的系统中。

• 例子：在多核处理器的电脑上，多个计算密集型任务（如视频编码、科学计算等）可以同时在不同的CPU核心上运行，从而加快处理速度。

并发（Concurrency）

• 定义：多个进程在同一时间内在同一个CPU上通过时间片轮转的方式交替执行。

• 目的：通过并发执行，可以在单个CPU上实现多个任务的推进，提高CPU的利用率和系统的响应速度。

• 例子：在单核处理器的电脑上，操作系统通过时间片轮转的方式，让多个应用程序交替执行，从而给用户一种多任务同时运行的感觉。

并行（Parallel）与并发（Concurrency）的区别

并行（Parallel）

• 定义：并行是指多个进程在多个处理器（或核心）上同时执行。每个进程都有自己独立的执行路径，它们之间没有直接的交互，但可以同时进行。

• 特点：

  • 需要多个处理器或核心。

  • 进程之间没有直接的交互。

  • 可以显著提高处理速度和效率。

• 例子：假设有两个厨师（进程）和两个烤箱（CPU核心）。两个厨师可以同时在两个烤箱中烤面包，这就是并行处理。

并发（Concurrency）

• 定义：并发是指多个进程在单个处理器上通过时间片轮转的方式交替执行，使得多个进程看起来像是同时进行的。

• 特点：

  • 只需要一个处理器或核心。

  • 进程之间可能需要共享资源，因此需要同步机制。

  • 可以提高单个处理器的利用率，但处理速度受限于单个处理器的能力。

• 例子：假设只有一个厨师（进程）和一个烤箱（CPU核心）。厨师需要烤两种面包，他可以先烤第一种面包5分钟，然后取出，再烤第二种面包5分钟，如此交替进行。虽然每次只有一个面包在烤，但通过交替执行，两种面包都可以烤好，这就是并发执行。

图示说明

为了更直观地理解并行和并发的区别，可以参考以下图示：

并行（Parallel）

进程1  进程2|       ||       ||       ||       ||       ||       |+-------+-------+时间

在并行处理中，进程1和进程2同时在不同的CPU上运行，它们在同一时间间隔内并行执行。

并发（Concurrency）

进程1  进程2|       ||   |   ||   |   |+---+---+时间

在并发执行中，进程1和进程2在同一个CPU上通过时间片轮转的方式交替执行，虽然它们看起来像是同时运行，但实际上是在不同时间片上交替执行的。

咖啡店比喻

为了更形象地解释并行和并发，我们可以用咖啡店的比喻：

• 并行（Parallel）：想象有两个咖啡师和两台咖啡机。两个顾客（进程）可以同时点咖啡，两个咖啡师分别在两台咖啡机上同时制作咖啡。这就是并行，每个顾客的咖啡可以同时开始制作。

• 并发（Concurrency）：现在只有一个咖啡师和一台咖啡机。两个顾客（进程）点咖啡，咖啡师需要先为一个顾客制作咖啡，完成后再为另一个顾客制作。虽然每次只有一个顾客的咖啡在制作，但通过交替为两个顾客服务，两个顾客的咖啡都可以完成。这就是并发。