Linux系统编程之进程优先级

概述

        在多任务操作系统中，进程优先级是一个非常重要的概念，决定了进程获取CPU时间的能力。合理的优先级管理，不仅可以提升系统的整体性能，还能确保关键任务得到及时的处理。

        进程优先级是一个数值指标，主要用于衡量操作系统调度CPU时间给进程时的优先程度。在Linux中，进程优先级分为两种：静态优先级和动态优先级。

        静态优先级：由用户或系统管理员设定的优先级，通常通过nice值来表示。静态优先级的范围从-20（最高优先级）到19（最低优先级），默认值为0。静态优先级主要用于区分不同类型的用户进程，以便于系统在资源紧张时，可以做出合理的调度决策。

        动态优先级：由调度器根据进程的行为，自动调整的优先级。动态优先级的变化取决于进程的CPU使用情况、I/O活动等因素。在Linux的完全公平调度器（即CFS）中，动态优先级通过虚拟运行时间来计算，以确保长时间未获得CPU时间的进程能够尽快得到执行机会。

        静态优先级和动态优先级是相互关联的。静态优先级作为基本优先级，在进程创建时确定，并作为动态优先级计算的基础。动态优先级则根据进程的运行情况和行为进行调整，以反映进程在运行时的实际优先级。

优先级类型

        在Linux系统中，进程的优先级类型主要包括：普通进程优先级、实时进程优先级、批处理进程优先级，以满足不同应用场景的需求。

        1、普通进程优先级：是指非实时、非批处理的进程所具有的优先级。这类进程在系统中最为常见，包括用户运行的图形界面程序、后台服务等。普通进程优先级适用于大多数用户进程，默认使用CFS调度器。普通进程优先级通常通过一个称为“Nice值”的数值来表示。Nice值的范围是-20到19，其中-20表示最高优先级，19表示最低优先级。较低的Nice值表示较高的优先级，而较高的Nice值则表示较低的优先级。

        我们可以使用nice命令来启动一个新进程，并设置其Nice值。比如：nice -n 10 ./hope_wisdom，会以Nice值为10来启动hope_wisdom程序。当然，也可以使用renice命令调整已经运行的进程的Nice值。

        注意：普通用户通常只能提高自己的Nice值（即降低优先级），而不能降低其他用户的Nice值（即提高优先级），这需要使用超级用户权限。

        2、实时进程优先级：适用于对响应时间有严格要求的实时进程，比如实时音频处理、控制系统等。实时进程使用专门的调度策略，比如：SCHED_FIFO（先入先出）和SCHED_RR（时间片轮转）。实时进程的优先级范围从0到99，其中0是最高的优先级。

        实时进程的优先级非常高，能够确保在指定的时间内得到响应和执行。这对于需要严格时间控制的多媒体应用和实时控制系统来说，至关重要。然而，如果系统中存在过多的实时进程，可能会导致CPU资源被过度占用，从而影响其他进程的执行。

        我们可以使用chrt命令设置实时进程的调度策略和优先级。比如：chrt -f 66 ./hope_wisdom，会以实时FIFO策略启动hope_wisdom程序，并设置其优先级为66。

        3、批处理进程优先级：是指那些不需要立即执行，可以在系统负载较低时运行的进程。这类进程通常用于执行批处理作业，比如：数据备份、数据分析、打印队列管理、文件索引构建等。批处理进程通常具有较低的优先级，以避免干扰前台用户的交互体验。

设置优先级

        在Linux中，设置进程的优先级主要有两个函数，分别为：setpriority、sched_setscheduler。

        1、setpriority函数：用于设置进程或进程组的静态优先级，从而影响进程在系统中的调度顺序。其函数原型如下：

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

        which：指定要设置优先级的对象类型，取值如下。

        （1）PRIO_PROCESS：设置单个进程的优先级。

        （2）PRIO_PGRP：设置进程组的优先级。

        （3）PRIO_USER：设置用户的所有进程的优先级。

        who：指定对象的标识符，根据which参数的不同，who的含义也不同。

        （1）如果which是PRIO_PROCESS，who是进程ID。

        （2）如果which是PRIO_PGRP，who是进程组ID。

        （3）如果which是PRIO_USER，who是用户ID。如果who是0，则表示当前用户。

        prio：要设置的优先级。静态优先级的范围是从-20（最高优先级）到19（最低优先级），默认值为0。

        返回值：成功时，返回0。失败时，返回-1，并设置errno为适当的错误码。常见的错误码有：EINVAL（无效的参数或策略）、EPERM（权限不足，尝试设置高于当前进程最大允许优先级的优先级）、ESRCH（指定的进程不存在）。

        2、sched_setscheduler函数：用于设置进程的调度策略和优先级。这对于实时应用尤其重要，因为它允许开发者精确控制进程的执行顺序和优先级，确保关键任务能够及时得到处理。其函数原型如下：

struct sched_param
{
    int sched_priority;  // 进程的优先级
};

int sched_setscheduler(pid_t pid, int policy, const struct sched_param *param);

        pid：进程ID。如果设置为0，则表示当前进程。

        policy：调度策略，取值如下。

        （1）SCHED_FIFO：先入先出调度策略，适用于实时任务。

        （2）SCHED_RR：轮转法调度策略，适用于实时任务，每个进程有一个固定的时间片。

        （3）SCHED_OTHER：默认的调度策略，适用于普通用户进程，使用完全公平调度器（即CFS）。

        （4）SCHED_BATCH：批处理调度策略，适用于长时间运行的计算密集型任务。

        （5）SCHED_IDLE：低优先级调度策略，适用于极低优先级的后台任务。

        param：指向sched_param结构体的指针，该结构体包含进程的优先级信息。

        返回值：成功时，返回0。失败时，返回-1，并设置errno为适当的错误码。常见的错误码有：EINVAL（无效的参数或策略）、EPERM（权限不足，尝试设置高于当前进程最大允许优先级的优先级）、ESRCH（指定的进程不存在）。

原文地址：https://blog.csdn.net/hope_wisdom/article/details/144331831

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