进程优先级详解

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发布于 2023-12-03 10:32:57

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发布于 2023-12-03 10:32:57

Linux 中采用了两种不同的优先级范围，一种是 nice 值，一种是实时优先级。在上一篇粗略的说了一下 nice 值和实时优先级，仍有不少疑问，本文来详细说明一下进程优先级。linux 内核版本为 linux 2.6.34 。

进程优先级的相关信息，存放在进程描述符 task_struct 中：

struct task_struct {
        ...
    int prio, static_prio, normal_prio;
    unsigned int rt_priority;
        ...
}

可以看到，有四种进程优先级： prio、static_prio、normal_prio 和 rt_priority，它们的具体定义在 kernel/sched.c 中，在介绍这四种优先级之前，先介绍一下以下宏定义：

/* linux-kernel 2.6.34 /include/linux/sched.h */
 
/*
 * Priority of a process goes from 0..MAX_PRIO-1, valid RT
 * priority is 0..MAX_RT_PRIO-1, and SCHED_NORMAL/SCHED_BATCH
 * tasks are in the range MAX_RT_PRIO..MAX_PRIO-1. Priority
 * values are inverted: lower p->prio value means higher priority.
 *
 * The MAX_USER_RT_PRIO value allows the actual maximum
 * RT priority to be separate from the value exported to
 * user-space.  This allows kernel threads to set their
 * priority to a value higher than any user task. Note:
 * MAX_RT_PRIO must not be smaller than MAX_USER_RT_PRIO.
 */
#define MAX_USER_RT_PRIO     100
#define MAX_RT_PRIO          MAX_USER_RT_PRIO
 
#define MAX_PRIO            (MAX_RT_PRIO + 40)
#define DEFAULT_PRIO        (MAX_RT_PRIO + 20)　　　　// 默认优先级，对应 nice 值为 0 的静态优先级

1、prio 动态优先级

prio 的值是调度器最终使用的优先级数值，即调度器选择一个进程时实际选择的值。prio 值越小，表明进程的优先级越高。prio 值的取值范围是 0 ~ MAX_PRIO，即 0 ~ 139（包括 0 和 139），根据调度策略的不同，又可以分为两个区间，其中区间 0 ~ 99 的属于实时进程，区间 100 ~139 的为非实时进程。用语言不好描述，我们通过内核代码来详细描述 prio：

/* linux-kernel 2.6.34  /kernel/sched.c  */
 
#include "sched_idletask.c"
#include "sched_fair.c"
#include "sched_rt.c"
#ifdef CONFIG_SCHED_DEBUG
#include "sched_debug.c"
#endif
 
/*
 * __normal_prio - return the priority that is based on the static prio
 */
static inline int __normal_prio(struct task_struct *p)　　　　// _normal_prio 函数，返回静态优先级值
{
    return p->static_prio;
}
 
/*
 * Calculate the expected normal priority: i.e. priority
 * without taking RT-inheritance into account. Might be
 * boosted by interactivity modifiers. Changes upon fork,
 * setprio syscalls, and whenever the interactivity
 * estimator recalculates.
 */
static inline int normal_prio(struct task_struct *p)　　　　// normal_prio 函数
{
    int prio;
 
    if (task_has_rt_policy(p))　　　　　　　　　　　　　　　　　// task_has_rt_policy 函数，判断进程是否为实时进程，若为实时进程，则返回1，否则返回0
        prio = MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority;　　　　　　　 // 进程为实时进程，prio 值为实时优先级值做相关运算得到： prio = MAX_RT_PRIO -1 - p->rt_priority
    else
        prio = __normal_prio(p);　　　　　　　　　　　　　　　　// 进程为非实时进程，则 prio 值为静态优先级值，即 prio = p->static_prio
    return prio;
}
 
/*
 * Calculate the current priority, i.e. the priority
 * taken into account by the scheduler. This value might
 * be boosted by RT tasks, or might be boosted by
 * interactivity modifiers. Will be RT if the task got
 * RT-boosted. If not then it returns p->normal_prio.
 */
static int effective_prio(struct task_struct *p)　　　　　　　// effective_prio 函数，计算进程的有效优先级，即prio值，这个值是最终调度器所使用的优先级值
{
    p->normal_prio = normal_prio(p);　　　　　　　　　　　　　　// 计算 normal_prio 的值
    /*
     * If we are RT tasks or we were boosted to RT priority,
     * keep the priority unchanged. Otherwise, update priority
     * to the normal priority:
     */
    if (!rt_prio(p->prio))
        return p->normal_prio;　　　　　　　　　　　　　　　　　　// 若进程是非实时进程，则返回 normal_prio 值，这时的 normal_prio = static_prio
    return p->prio;　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 // 否则，返回值不变，依然为 prio 值，此时 prio = MAX_RT_PRIO -1 - p->rt_priority
} 
 
/*********************** 函数 set_user_nice ****************************************/
void set_user_nice(struct task_struct *p, long nice)
{
　　　　　....
    p->prio = effective_prio(p);　　　　　　　　　　　　　　     // 在函数 set_user_nice 中，调用 effective_prio 函数来设置进程的 prio 值
　　　　　....
}

从上面代码中我们知道，当进程为实时进程时， prio 的值由实时优先级值（rt_priority）计算得来；当进程为非实时进程时，prio 的值由静态优先级值（static_prio）得来。即：

prio = MAX_RT_PRIO - 1 - rt_priority // 进程为实时进程

prio = static_prio　　　　　　　　　　// 进程为非实时进程

简单计算上面的两个式子，可以知道，prio 值的范围是 0 ~ 139 。

2、static_prio 静态优先级

静态优先级不会随时间改变，内核不会主动修改它，只能通过系统调用 nice 去修改 static_prio，如下：

/*
 * Convert user-nice values [ -20 ... 0 ... 19 ]
 * to static priority [ MAX_RT_PRIO..MAX_PRIO-1 ],
 * and back.
 */
#define NICE_TO_PRIO(nice)    (MAX_RT_PRIO + (nice) + 20)
#define PRIO_TO_NICE(prio)    ((prio) - MAX_RT_PRIO - 20)
#define TASK_NICE(p)        PRIO_TO_NICE((p)->static_prio)
 
/*
 * 'User priority' is the nice value converted to something we
 * can work with better when scaling various scheduler parameters,
 * it's a [ 0 ... 39 ] range.
 */
#define USER_PRIO(p)        ((p)-MAX_RT_PRIO)
#define TASK_USER_PRIO(p)    USER_PRIO((p)->static_prio)
#define MAX_USER_PRIO        (USER_PRIO(MAX_PRIO))
 
/********************* 函数 set_user_nice *****************************/
p->static_prio = NICE_TO_PRIO(nice);    　　　　// 当有需要时，系统会通过调用 NICE_TO_PRIO() 来修改 static_prio 的值

由上面代码知道，我们可以通过调用 NICE_TO_PRIO(nice) 来修改 static_prio 的值， static_prio 值的计算方法如下：

static_prio = MAX_RT_PRIO + nice +20

MAX_RT_PRIO 的值为100，nice 的范围是 -20 ~ +19，故 static_prio 值的范围是 100 ~ 139。 static_prio 的值越小，表明进程的静态优先级越高。

3、normal_prio 归一化优先级

normal_prio 的值取决于静态优先级和调度策略，可以通过 _setscheduler 函数来设置 normal_prio 的值。对于非实时进程，normal_prio 的值就等于静态优先级值 static_prio；对于实时进程，normal_prio = MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority。代码如下：

static inline int normal_prio(struct task_struct *p)　　　　// normal_prio 函数
{
    int prio;
 
    if (task_has_rt_policy(p))　　　　　　　　　　　　　　　　　// task_has_rt_policy 函数，判断进程是否为实时进程，若为实时进程，则返回1，否则返回0
        prio = MAX_RT_PRIO-1 - p->rt_priority;　　　　　　　 // 进程为实时进程，prio 值为实时优先级值做相关运算得到： prio = MAX_RT_PRIO -1 - p->rt_priority
    else
        prio = __normal_prio(p);　　　　　　　　　　　　　　　　// 进程为非实时进程，则 prio 值为静态优先级值，即 prio = p->static_prio
    return prio;
}