linux的进程优先级

Posted 2022-12-08 __2017__

原文：https://linux.cn/article-7325-1.html

为什么要有进程优先级？这似乎不用过多的解释，毕竟自从多任务操作系统诞生以来，进程执行占用cpu的能力就是一个必须要可以人为控制的事情。因为有的进程相对重要，而有的进程则没那么重要。

进程优先级起作用的方式从发明以来基本没有什么变化，无论是只有一个cpu的时代，还是多核cpu时代，都是通过控制进程占用cpu时间的长短来实现的。就是说在同一个调度周期中，优先级高的进程占用的时间长些，而优先级低的进程占用的短些。

从这个角度看，进程优先级其实也跟cgroup的cpu限制一样，都是一种针对cpu占用的QOS机制。我曾经一直很困惑一点，为什么已经有了优先级，还要再设计一个针对cpu的cgroup？得到的答案大概是因为，优先级这个值不能很直观的反馈出资源分配的比例吧？

不过这不重要，实际上从内核目前的进程调度器cfs的角度说，同时实现cpushare方式的cgroup和优先级这两个机制完全是相同的概念，并不会因为增加一个机制而提高什么实现成本。既然如此，而cgroup又显得那么酷，那么何乐而不为呢？

在系统上我们最熟悉的优先级设置方式是nice和renice命令。那么我们首先解释一个概念，什么是：

NICE值

nice值应该是熟悉Linux/UNIX的人很了解的概念了，我们都知它是反应一个进程“优先级”状态的值，其取值范围是-20至19，一共40个级别。这个值越小，表示进程”优先级”越高，而值越大“优先级”越低。我们可以通过nice命令来对一个将要执行的命令进行nice值设置，方法是：

1

[root@zorrozou-pc0 zorro]# nice -n 10 bash

这样我就又打开了一个bash，并且其nice值设置为10，而默认情况下，进程的优先级应该是从父进程继承来的，这个值一般是0。我们可以通过nice命令直接查看到当前shell的nice值

1

[root@zorrozou-pc0 zorro]# nice

2

10

对比一下正常情况：

1

[root@zorrozou-pc0 zorro]# exit

推出当前nice值为10的bash，打开一个正常的bash：

1

[root@zorrozou-pc0 zorro]# bash

2

[root@zorrozou-pc0 zorro]# nice

3

0

另外，使用renice命令可以对一个正在运行的进程进行nice值的调整，我们也可以使用比如top、ps等命令查看进程的nice值，具体方法我就不多说了，大家可以参阅相关manpage。

需要大家注意的是，我在这里都在使用nice值这一称谓，而非优先级priority这个说法。当然，nice和renice的man手册中，也说的是priority这个概念，但是要强调一下，请大家真的不要混淆了系统中的这两个概念，一个是nice值，一个是priority值，他们有着千丝万缕的关系，但对于当前的Linux系统来说，它们并不是同一个概念。

我们看这个命令：

1

[root@zorrozou-pc0 zorro]# ps -l

2

F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD

3

4 S     0  6924  5776  0  80   0 - 17952 poll_s pts/5    00:00:00 sudo

4

4 S     0  6925  6924  0  80   0 -  4435 wait   pts/5    00:00:00 bash

5

0 R     0 12971  6925  0  80   0 -  8514 -      pts/5    00:00:00 ps

大家是否真的明白其中PRI列和NI列的具体含义有什么区别？同样的，如果是top命令：

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Tasks: 1587 total,   7 running, 1570 sleeping,   0 stopped,  10 zombie

2

Cpu(s): 13.0%us,  6.9%sy,  0.0%ni, 78.6%id,  0.0%wa,  0.0%hi,  1.5%si,  0.0%st

3

Mem:  132256952k total, 107483920k used, 24773032k free,  2264772k buffers

4

Swap:  2101192k total,      508k used,  2100684k free, 88594404k cached

5

​

6

  PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND                                                                                                                                                                                                                                                                          

7

 3001 root      20   0  232m  21m 4500 S 12.9  0.0   0:15.09 python                                                                                                                                                                                                                                                                                

8

11541 root      20   0 17456 2400  888 R  7.4  0.0   0:00.06 top     

大家是否搞清楚了这其中PR值和NI值的差别？如果没有，那么我们可以首先搞清楚什么是nice值。

nice值虽然不是priority，但是它确实可以影响进程的优先级。

在英语中，如果我们形容一个人nice，那一般说明这个人的人缘比较好。什么样的人人缘好？往往是谦让、有礼貌的人。比如，你跟一个nice的人一起去吃午饭，点了两个一样的饭，先上了一份后，nice的那位一般都会说：“你先吃你先吃！”，这就是人缘好，这人nice！但是如果另一份上的很晚，那么这位nice的人就要饿着了。这说明什么？越nice的人抢占资源的能力就越差，而越不nice的人抢占能力就越强。这就是nice值大小的含义，nice值越低，说明进程越不nice，抢占cpu的能力就越强，优先级就越高。在原来使用O1调度的Linux上，我们还会把nice值叫做静态优先级，这也基本符合nice值的特点，就是当nice值设定好了之后，除非我们用renice去改它，否则它是不变的。而priority的值在之前内核的O1调度器上表现是会变化的，所以也叫做动态优先级。

优先级和实时进程

简单了解nice值的概念之后，我们再来看看什么是priority值，就是ps命令中看到的PRI值或者top命令中看到的PR值。本文为了区分这些概念，以后统一用nice值表示NI值，或者叫做静态优先级，也就是用nice和renice命令来调整的优先级；而使用priority值表示PRI和PR值，或者叫动态优先级。我们也统一将“优先级”这个词的概念规定为表示priority值的意思。

在内核中，进程优先级的取值范围是通过一个宏定义的，这个宏的名称是MAX_PRIO，它的值为140。而这个值又是由另外两个值相加组成的，一个是代表nice值取值范围的NICE_WIDTH宏，另一个是代表实时进程realtime优先级范围的MAX_RT_PRIO宏。说白了就是，Linux实际上实现了140个优先级范围，取值范围是从0-139，这个值越小，优先级越高。nice值的-20到19，映射到实际的优先级范围是100-139。新产生进程的默认优先级被定义为：

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#define DEFAULT_PRIO            (MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH / 2)

实际上对应的就是nice值的0。正常情况下，任何一个进程的优先级都是这个值，即使我们通过nice和renice命令调整了进程的优先级，它的取值范围也不会超出100-139的范围，除非这个进程是一个实时进程，那么它的优先级取值才会变成0-99这个范围中的一个。这里隐含了一个信息，就是说当前的Linux是一种已经支持实时进程的操作系统。

什么是实时操作系统，我们就不再这里详细解释其含义以及在工业领域的应用了，有兴趣的可以参考一下实时操作系统的维基百科。简单来说，实时操作系统需要保证相关的实时进程在较短的时间内响应，不会有较长的延时，并且要求最小的中断延时和进程切换延时。对于这样的需求，一般的进程调度算法，无论是O1还是CFS都是无法满足的，所以内核在设计的时候，将实时进程单独映射了100个优先级，这些优先级都要高与正常进程的优先级（nice值），而实时进程的调度算法也不同，它们采用更简单的调度算法来减少调度开销。总的来说，Linux系统中运行的进程可以分成两类：

1. 实时进程
2. 非实时进程

它们的主要区别就是通过优先级来区分的。所有优先级值在0-99范围内的，都是实时进程，所以这个优先级范围也可以叫做实时进程优先级，而100-139范围内的是非实时进程。在系统中可以使用chrt命令来查看、设置一个进程的实时优先级状态。我们可以先来看一下chrt命令的使用：

1

[root@zorrozou-pc0 zorro]# chrt

2

Show or change the real-time scheduling attributes of a process.

3

​

4

Set policy:

5

 chrt [options] <priority> <command> [<arg>...]

6

 chrt [options] -p <priority> <pid>

7

​

8

Get policy:

9

 chrt [options] -p <pid>

10

​

11

Policy options:

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 -b, --batch          set policy to SCHED_OTHER

13

 -f, --fifo           set policy to SCHED_FIFO

14

 -i, --idle           set policy to SCHED_IDLE

15

 -o, --other          set policy to SCHED_OTHER

16

 -r, --rr             set policy to SCHED_RR (default)

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​

18

Scheduling flag:

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 -R, --reset-on-fork  set SCHED_RESET_ON_FORK for FIFO or RR

20

​

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Other options:

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 -a, --all-tasks      operate on all the tasks (threads) for a given pid

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 -m, --max            show min and max valid priorities

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 -p, --pid            operate on existing given pid

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 -v, --verbose        display status information

26

​

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 -h, --help     display this help and exit

28

 -V, --version  output version information and exit

29

​

30

For more details see chrt(1).

我们先来关注显示出的Policy options部分，会发现系统给个种进程提供了5种调度策略。但是这里并没有说明的是，这五种调度策略是分别给两种进程用的，对于实时进程可以用的调度策略是：SCHED_FIFO、SCHED_RR，而对于非实时进程则是：SCHED_OTHER、SCHED_OTHER、SCHED_IDLE。

系统的整体优先级策略是：如果系统中存在需要执行的实时进程，则优先执行实时进程。直到实时进程退出或者主动让出CPU时，才会调度执行非实时进程。实时进程可以指定的优先级范围为1-99，将一个要执行的程序以实时方式执行的方法为：

1

[root@zorrozou-pc0 zorro]# chrt 10 bash

2

[root@zorrozou-pc0 zorro]# chrt -p $$

3

pid 14840's current scheduling policy: SCHED_RR

4

pid 14840's current scheduling priority: 10

可以看到，新打开的bash已经是实时进程，默认调度策略为SCHED_RR，优先级为10。如果想修改调度策略，就加个参数：

1

[root@zorrozou-pc0 zorro]# chrt -f 10 bash

2

[root@zorrozou-pc0 zorro]# chrt -p $$

3

pid 14843's current scheduling policy: SCHED_FIFO

4

pid 14843's current scheduling priority: 10

刚才说过，SCHED_RR和SCHED_FIFO都是实时调度策略，只能给实时进程设置。对于所有实时进程来说，优先级高的（就是priority数字小的）进程一定会保证先于优先级低的进程执行。SCHED_RR和SCHED_FIFO的调度策略只有当两个实时进程的优先级一样的时候才会发生作用，其区别也是顾名思义：

SCHED_FIFO:以先进先出的队列方式进行调度，在优先级一样的情况下，谁先执行的就先调度谁，除非它退出或者主动释放CPU。

SCHED_RR:以时间片轮转的方式对相同优先级的多个进程进行处理。时间片长度为100ms。

这就是Linux对于实时进程的优先级和相关调度算法的描述。整体很简单，也很实用。而相对更麻烦的是非实时进程，它们才是Linux上进程的主要分类。对于非实时进程优先级的处理，我们首先还是要来介绍一下它们相关的调度算法：O1和CFS。

O1调度

O1调度算法是在Linux 2.6开始引入的，到Linux 2.6.23之后内核将调度算法替换成了CFS。虽然O1算法已经不是当前内核所默认使用的调度算法了，但是由于大量线上的服务器可能使用的Linux版本还是老版本，所以我相信很多服务器还是在使用着O1调度器，那么费一点口舌简单交代一下这个调度器也是有意义的。这个调度器的名字之所以叫做O1，主要是因为其算法的时间复杂度是O1。

O1调度器仍然是根据经典的时间片分配的思路来进行整体设计的。简单来说，时间片的思路就是将CPU的执行时间分成一小段一小段的，假如是5ms一段。于是多个进程如果要“同时”执行，实际上就是每个进程轮流占用5ms的cpu时间，而从1s的时间尺度上看，这些进程就是在“同时”执行的。当然，对于多核系统来说，就是把每个核心都这样做就行了。而在这种情况下，如何支持优先级呢？实际上就是将时间片分配成大小不等的若干种，优先级高的进程使用大的时间片，优先级小的进程使用小的时间片。这样在一个周期结速后，优先级大的进程就会占用更多的时间而因此得到特殊待遇。O1算法还有一个比较特殊的地方是，即使是相同的nice值的进程，也会再根据其CPU的占用情况将其分成两种类型：CPU消耗型和IO消耗性。典型的CPU消耗型的进程的特点是，它总是要一直占用CPU进行运算，分给它的时间片总是会被耗尽之后，程序才可能发生调度。比如常见的各种算数运算程序。而IO消耗型的特点是，它经常时间片没有耗尽就自己主动先释放CPU了，比如vi，emacs这样的编辑器就是典型的IO消耗型进程。

为什么要这样区分呢？因为IO消耗型的进程经常是跟人交互的进程，比如shell、编辑器等。当系统中既有这种进程，又有CPU消耗型进程存在，并且其nice值一样时，假设给它们分的时间片长度是一样的，都是500ms，那么人的操作可能会因为CPU消耗型的进程一直占用CPU而变的卡顿。可以想象，当bash在等待人输入的时候，是不占CPU的，此时CPU消耗的程序会一直运算，假设每次都分到500ms的时间片，此时人在bash上敲入一个字符的时候，那么bash很可能要等个几百ms才能给出响应，因为在人敲入字符的时候，别的进程的时间片很可能并没有耗尽，所以系统不会调度bash程度进行处理。为了提高IO消耗型进程的响应速度，系统将区分这两类进程，并动态调整CPU消耗的进程将其优先级降低，而IO消耗型的将其优先级变高，以降低CPU消耗进程的时间片的实际长度。已知nice值的范围是-20 - 19，其对应priority值的范围是100－139，对于一个默认nice值为0的进程来说，其初始priority值应该是120，随着其不断执行，内核会观察进程的CPU消耗状态，并动态调整priority值，可调整的范围是+-5。就是说，最高其优先级可以呗自动调整到115，最低到125。这也是为什么nice值叫做静态优先级而priority值叫做动态优先级的原因。不过这个动态调整的功能在调度器换成CFS之后就不需要了，因为CFS换了另外一种CPU时间分配方式，这个我们后面再说。

再简单了解了O1算法按时间片分配CPU的思路之后，我们再来结合进程的状态简单看看其算法描述。我们都知道进程有5种状态：

• S（Interruptible sleep）：可中断休眠状态。
• D（Uninterruptible sleep）：不可中断休眠状态。
• R（Running or runnable）：执行或者在可执行队列中。
• Z（Zombie process）：僵尸。
• T（Stopped）：暂停。

在CPU调度时，主要只关心R状态进程，因为其他状态进程并不会被放倒调度队列中进行调度。调度队列中的进程一般主要有两种情况，一种是进程已经被调度到CPU上执行，另一种是进程正在等待被调度。出现这两种状态的原因应该好理解，因为需要执行的进程数可能多于硬件的CPU核心数，比如需要执行的进程有8个而CPU核心只有4个，此时cpu满载的时候，一定会有4个进程处在“等待”状态，因为此时有另外四个进程正在占用CPU执行。

根据以上情况我们可以理解，系统当下需要同时进行调度处理的进程数（R状态进程数）和系统CPU的比值，可以一定程度的反应系统的“繁忙”程度。需要调度的进程越多，核心越少，则意味着系统越繁忙。除了进程执行本身需要占用CPU以外，多个进程的调度切换也会让系统繁忙程度增加的更多。所以，我们往往会发现，R状态进程数量在增长的情况下，系统的性能表