Linux进程优先级机制深度解析：从Nice值到实时调度

前言

在Linux系统中，进程优先级决定了CPU资源的分配顺序，直接影响系统性能和关键任务的响应速度。无论是优化服务器负载、确保实时任务稳定运行，还是避免低优先级进程拖慢系统，合理调整进程优先级都是系统管理和性能调优的重要技能。

一、进程优先级概述

1、基本概念

2、存在原因

二、查看进程优先级信息

1、PRI与NI的关系

2、PRI 与 NI 的区别

三、竞争、独立、并行、并发

1、进程相关核心概念

2、概念对比图

3、补充说明

四、通过top命令更改进程的nice值

步骤 1：启动 top

步骤 2：找到目标进程

步骤 3：进入 Nice 值修改模式

步骤 4：验证修改

五、两种不同的优先级系统

六、Nice优先级系统

1、Nice值范围

2、相关命令

nice 命令

renice 命令

七、验证NI和PRI的范围

1. 验证 NI（nice 值）的范围

实验方法

结论

2. 验证 PRI（进程优先级）的范围

实验方法

结论

3. 为什么范围是 -20 到 19？

4. 总结

八、实时优先级系统（了解即可，不掌握）

1、实时优先级范围

2、调度策略

3、相关命令

九、内核视角的优先级

十、调整优先级的注意事项

十一、实际应用示例（了解即可，不掌握）

示例1：启动一个低优先级的压缩任务

示例2：将正在运行的进程改为高优先级

示例3：设置实时音频处理进程

一、进程优先级概述

1、基本概念

优先级是指获取资源的先后顺序。进程优先级则特指进程获得CPU资源分配的优先顺序，即进程的优先权（priority）。优先权较高的进程享有优先执行的权利。

2、存在原因

优先级的产生源于资源的有限性。对于进程优先级而言，其存在的根本原因是CPU资源的稀缺性。由于单个CPU同一时间只能运行一个进程，而系统中往往存在多个并发进程，因此需要通过优先级机制来确定各进程获取CPU资源的先后顺序。

二、查看进程优先级信息

在Linux或Unix系统中，执行ps -l命令通常会显示如下信息：

ps -l <PID>

关键信息如下：

UID：执行者的身份标识，用于系统识别和权限管理
PID：进程的唯一标识符
PPID：父进程的标识符（即创建该进程的进程ID）
PRI：进程优先级，数值越小优先级越高
NI：进程的nice值

小知识：

在Linux系统中，操作系统通过UID（用户标识符）来识别进程访问文件时的权限身份。
每个进程都代表特定用户运行，系统会根据进程所属用户的UID来判断其访问权限，包括文件所有者、所属组或其他用户的权限类别。

1、PRI与NI的关系

PRI表示进程的CPU执行优先级，数值越小越优先执行
NI是进程优先级的修正值，影响最终的PRI值
计算公式：PRI(new) = PRI(old) + NI
- 当NI为负值时，PRI降低（优先级提高）
- 在Linux系统中，PRI(old)默认值为80，即PRI = 80 + NI
NI的取值范围：-20到19（共40个级别）
调整进程优先级实际上就是修改其nice值(NI)

2、PRI 与 NI 的区别

需要明确的是，进程的 nice 值（NI）并不等同于进程优先级（PRI），它们是两个不同的概念。但 nice 值会影响进程优先级的调整。
简单来说，nice 值是用于修正进程优先级的一个数值参数。

三、竞争、独立、并行、并发

1、进程相关核心概念

竞争性 (Competitive)
- 定义：系统进程数量众多，而CPU资源有限（如单核CPU），因此进程之间需要竞争获取计算资源。
- 延伸：为了优化资源分配，操作系统通过优先级调度算法管理竞争，确保关键任务优先执行。
- 示例：高优先级进程（如系统服务）可抢占低优先级进程（如后台应用）的CPU时间。
独立性 (Independent)
- 定义：每个进程拥有独立的虚拟地址空间和系统资源（如文件描述符、内存），多进程运行时互不干扰。
- 延伸：独立性由操作系统通过内存隔离和资源保护机制实现，确保进程崩溃不会影响其他进程。
- 例外：进程间通信（IPC）机制可打破独立性，如共享内存、管道等。
并行 (Parallelism)
- 定义：多个进程在多核CPU/多处理器上同时执行，每个进程独占一个计算核心。
- 条件：要求硬件支持（CPU核心数≥进程数）。
- 示例：4个进程在4核CPU上同时运行，每个核心处理一个进程。
并发 (Concurrency)
- 定义：多个进程在单核CPU上通过时间片轮转、上下文切换等机制交替执行，宏观上表现为“同时推进”。
- 关键：操作系统通过调度器（Scheduler）快速切换进程，用户感知为多任务并行（实际是伪并行）。
- 对比：并发是逻辑上的“同时”，并行是物理上的同时。

2、概念对比图

特性	竞争性	独立性	并行	并发
核心	资源争用	隔离保护	多核物理同时执行	单核逻辑交替执行
依赖	资源稀缺	操作系统机制	多CPU/多核硬件	调度算法
表现	优先级调度	进程互不干扰	真正同步	快速切换的异步

3、补充说明

并发与并行的关系：并发是更广义的概念，并行是并发的子集（硬件允许多任务真正同步时）。
现代系统：通常并发与并行共存（如多核CPU上每个核心并发调度多个线程）。

四、通过top命令更改进程的nice值

步骤 1：启动 `top`

在终端输入：

top

你会看到一个动态刷新的进程列表，包含 PID、USER、NI、PRI 等信息：

步骤 2：找到目标进程

在 top 界面中，可以使用按 Shift + P（按 CPU 使用率排序）或 Shift + M（按内存使用率排序）的方式，找到你要修改的进程。
记录进程的 PID（第一列）。

步骤 3：进入 Nice 值修改模式

在 top 运行时，按 r（代表 "renice"）。

输入要调整的 PID，按回车。

PID to renice [default: 0]: 1234  # 替换为目标 PID

输入新的 Nice 值（范围：-20 到 19），按回车。
- 负值（如 -5）：提高优先级（需 root 权限）。
- 正值（如 10）：降低优先级（普通用户可设置）。
```
Renice PID 1234 to value: 5  # 示例：设置为 5
```

步骤 4：验证修改

修改后，在 top 界面中检查该进程的 NI 列是否已更新。
按 q 退出 top。

输入nice值后按“q”即可退出，如果我们这里输入的nice值为5，那么此时我们再用ps命令查看进程的优先级信息，即可发现进程的NI变成了5，PRI变成了85（80+NI）：

注意： 若是想将NI值调为负值，也就是将进程的优先级调高，需要使用sudo top提升权限。

五、两种不同的优先级系统

在Linux操作系统中，进程优先级决定了进程获取CPU资源的顺序和频率。优先级高的进程会获得更多的CPU时间，从而更快地执行。Linux使用两种不同的优先级系统：

Nice值（NI）：用户空间优先级，范围从-20（最高优先级）到19（最低优先级）
实时优先级：用于实时进程，范围从1（最低）到99（最高）

六、Nice优先级系统

1、Nice值范围

采用时间片机制的分时操作系统需兼顾公平性，允许优先级动态调整，但必须严格控制优先级的变化幅度：

默认值：0
可调整范围：-20（最高优先级）到19（最低优先级）
普通用户限制：只能调低优先级（增大nice值，0→19）
root用户：可以调高或调低优先级（-20→19）

2、相关命令

查看进程优先级信息：

ps -eo pid,ni,comm

或者我们也可以使用：

top # 然后按'r'键调整优先级

注意： 在Linux操作系统中，初始进程一般优先级PRI默认为80，NI默认为0。

启动时设置优先级：

nice 命令

用于以指定的优先级启动一个进程
语法：nice -n [优先级值] [命令]
优先级范围通常为 -20 (最高优先级) 到 19 (最低优先级)
普通用户只能降低优先级(设为正值)，只有root可以提升优先级(设为负值)

nice -n 10 ./test

启动程序，并设置 NI=10（较低优先级），然后验证优先级：

调整运行中进程的优先级：

renice 命令

用于修改已运行进程的优先级
语法：renice [优先级值] -p [进程ID]
同样遵循-20到19的范围限制

renice 5 -p PID

注意： 若是想使用renice命令将NI值调为负值，也需要使用sudo renice命令提升权限。

七、验证NI和PRI的范围

在 Linux 系统中，进程的优先级（PRI）和 nice 值（NI）的范围是 -20 到 19（NI），而 PRI 的范围通常是 0 到 139（但用户可见的 PRI 范围是 60 到 99）。我们可以通过简单的实验来验证这些范围：

1. 验证 `NI`（nice 值）的范围

Linux 允许的 nice 值范围是 -20（最高优先级）到 19（最低优先级）。普通用户只能降低优先级（NI ≥ 0），而 root 可以提升优先级（NI < 0）。

实验方法

尝试用 nice 或 renice 设置超出范围的 NI 值：

nice -n -21 [可执行程序]# 尝试设置 NI = -21（超出范围）
nice -n 20 [可执行程序]# 尝试设置 NI = 20（超出范围）

系统会返回错误：

结论

NI 的范围确实是 -20 到 19，超出范围会被拒绝。

2. 验证 `PRI`（进程优先级）的范围

Linux 的 PRI 值由内核动态调整，但用户可见的 PRI 范围是 60（最高优先级）到 99（最低优先级）。NI 会影响 PRI 的计算：

PRI=80+NIPRI=80+NI（80 是默认基准优先级）

实验方法

查看默认进程的 PRI 和 NI：
```
ps -l
```
输出示例：PRI = 80，NI = 0（默认情况）。

用 nice 启动一个低优先级进程：
```
nice -n 19 [可执行文件]# 设置 NI = 19（最低优先级）
ps -l PID
```
输出：
- PRI = 99（80 + 19 = 99）。
用 renice 提高优先级（需要 root）：
```
sudo renice -n -20 -p PID  # 设置 NI = -20（最高优先级）
ps -l
```
输出bad value,这里观察不了，其实上面对NI观察已经可以证明结论了。

结论

PRI 的计算公式是 PRI = 80 + NI，所以：
- 当 NI = -20 时，PRI = 60（最高优先级）。
- 当 NI = 19 时，PRI = 99（最低优先级）。
PRI 的可调整范围是 60–99（由 NI 决定）。

3. 为什么范围是 -20 到 19？

这是 Linux 内核的默认设计：
- NI 的范围 -20 到 19 提供了 40 个优先级级别（足够精细调整）。
- PRI 的范围 60–99 是用户可见的优先级，而内核实际使用 0–139（其中 0–59 用于实时进程，60–99 用于普通进程）。

4. 总结

参数	范围	计算方式	实验验证方法
`NI`	-20 到 19	直接设置	`nice -n -20` / `nice -n 19`
`PRI`	60 到 99	`PRI = 80 + NI`	`ps -l` 观察 `NI` 对 `PRI` 的影响

通过实验可以确认：

NI 的范围是 -20 到 19，超出会报错。
PRI 的范围是 60 到 99，由 PRI = 80 + NI 决定。

八、实时优先级系统（了解即可，不掌握）

实时优先级用于需要严格调度控制的进程，如音频处理、工业控制系统等。

1、实时优先级范围

SCHED_FIFO和SCHED_RR策略：1（最低）到99（最高）
SCHED_OTHER（标准分时调度）：不使用实时优先级

2、调度策略

策略	描述
SCHED_OTHER	标准分时调度（默认），使用nice值
SCHED_FIFO	先进先出实时调度，高优先级进程会一直运行直到阻塞或退出
SCHED_RR	轮转实时调度，同优先级进程按时间片轮转
SCHED_BATCH	针对批处理作业的调度
SCHED_IDLE	极低优先级，系统空闲时才运行

3、相关命令

查看进程调度策略和优先级：

chrt -p PID

设置实时优先级：

chrt -f -p 90 PID # 设置FIFO调度，优先级90
chrt -r -p 80 PID # 设置RR调度，优先级80

九、内核视角的优先级

在内核中，优先级通过以下方式表示：

静态优先级：由用户设置的nice值转换而来
动态优先级：内核根据进程行为调整的优先级
实时优先级：用于实时进程的特殊优先级

内核维护一个运行队列，将进程按优先级组织，调度器总是选择最高优先级的可运行进程。

十、调整优先级的注意事项

谨慎提高优先级：过高优先级可能导致系统资源被独占
实时进程风险：错误的实时进程可能导致系统无响应
权限限制：普通用户只能降低自身进程的优先级
系统监控：使用top或htop监控优先级调整效果

十一、实际应用示例（了解即可，不掌握）

示例1：启动一个低优先级的压缩任务

nice -n 19 tar -czf backup.tar.gz /data

示例2：将正在运行的进程改为高优先级

sudo renice -10 -p 1234

示例3：设置实时音频处理进程

chrt -f -p 99 $(pidof pulseaudio)

理解Linux进程优先级对于系统性能调优和资源管理至关重要，特别是在多任务环境或资源受限的系统中。