Linux的進程優(yōu)先級NI和PR到底有什么區(qū)別
作者簡介
鄒立巍，Linux系統(tǒng)技術專家。目前在騰訊SNG社交網(wǎng)絡運營部 計算資源平臺組，負責內(nèi)部私有云平臺的建設和架構規(guī)劃設計。曾任新浪動態(tài)應用平臺系統(tǒng)架構師，負責微博、新浪博客等重點業(yè)務的內(nèi)部私有云平臺架構設計和運維管理工作。
為什么要有進程優(yōu)先級?
這似乎不用過多的解釋，畢竟自從多任務操作系統(tǒng)誕生以來，進程執(zhí)行占用cpu的能力就是一個必須要可以人為控制的事情。因為有的進程相對重要，而有的進程則沒那么重要。
進程優(yōu)先級起作用的方式從發(fā)明以來基本沒有什么變化，無論是只有一個cpu的時代，還是多核cpu時代，都是通過控制進程占用cpu時間的長短來實現(xiàn)的。
就是說在同一個調(diào)度周期中，優(yōu)先級高的進程占用的時間長些，而優(yōu)先級低的進程占用的短些。
請大家真的不要混淆了系統(tǒng)中的這兩個概念：nice(NI)和priority(PR)，他們有著千絲萬縷的關系，但對于當前的Linux系統(tǒng)來說，它們并不是同一個概念。
我們看這個命令：
大家是否真的明白其中PRI列和NI列的具體含義有什么區(qū)別?
同樣的，如果是top命令：
大家是否搞清楚了這其中PR值和NI值的差別?如果沒有，那么我們可以首先搞清楚什么是nice值。
什么是NICE值?
NICE值應該是熟悉Linux/UNIX的人很了解的概念了，它是反應一個進程“優(yōu)先級”狀態(tài)的值，其取值范圍是-20至19，一共40個級別。
這個值越小，表示進程”優(yōu)先級”越高，而值越大“優(yōu)先級”越低。
例如，我們可以通過NICE命令來對一個將要執(zhí)行的bash命令進行NICE值設置，方法是：
- [root@zorrozou-pc0 zorro]# nice -n 10 bash
這樣我就又打開了一個bash，并且其nice值設置為10，而默認情況下，進程的優(yōu)先級應該是從父進程繼承來的，這個值一般是0。
我們可以通過nice命令直接查看到當前shell的nice值：
- [root@zorrozou-pc0 zorro]# nice
- 10
對比一下正常情況：
- [root@zorrozou-pc0 zorro]# exit
退出當前nice值為10的bash，打開一個正常的bash，我們查看下其 Nice值：
- [root@zorrozou-pc0 zorro]# bash
- [root@zorrozou-pc0 zorro]# nice
- 0
另外，使用renice命令可以對一個正在運行的進程進行nice值的調(diào)整，我們也可以使用比如top、ps等命令查看進程的nice值，具體方法我就不多說了，大家可以參閱相關man page。
需要大家注意的是，我在這里都在使用nice值這一稱謂，而非優(yōu)先級(priority)這個說法。
nice值雖然不是priority，但是它確實可以影響進程的優(yōu)先級。
在英語中，如果我們形容一個人nice，那一般說明這個人的人緣比較好。什么樣的人人緣好?往往是謙讓、有禮貌的人。
比如，你跟一個nice的人一起去吃午飯，點了兩個一樣的飯，先上了一份后，nice的那位一般都會說：“你先吃你先吃！”，這就是人緣好，這人nice！但是如果另一份上的很晚，那么這位nice的人就要餓著了。
這說明什么?
越nice的人搶占資源的能力就越差，而越不nice的人搶占能力就越強。這就是nice值大小的含義，nice值越低，說明進程越不nice，搶占cpu的能力就越強，優(yōu)先級就越高(作者這個解釋太形象了，小編忍不住要手動點贊!!)。
在原來使用O1調(diào)度的Linux上，我們還會把nice值叫做靜態(tài)優(yōu)先級，這也基本符合nice值的特點，就是當nice值設定好了之后，除非我們用renice去改它，否則它是不變的。
而priority的值在之前內(nèi)核的O1調(diào)度器上表現(xiàn)是會變化的，所以也叫做動態(tài)優(yōu)先級。
什么是優(yōu)先級和實時進程?
我們再來看看什么是priority值，就是ps命令中看到的PRI值或者top命令中看到的PR值。
本文為了區(qū)分這些概念，以后：
- 統(tǒng)一用nice值表示NI值，或者叫做靜態(tài)優(yōu)先級，也就是用nice和renice命令來調(diào)整的優(yōu)先級;
- 而實用priority值表示PRI和PR值，或者叫動態(tài)優(yōu)先級。
- 我們也統(tǒng)一將“優(yōu)先級”這個詞的概念規(guī)定為表示priority值的意思。
在內(nèi)核中，進程優(yōu)先級的取值范圍是通過一個宏定義的，這個宏的名稱是MAX_PRIO，它的值為140。
而這個值又是由另外兩個值相加組成的，一個是代表nice值取值范圍的NICE_WIDTH宏，另一個是代表實時進程(realtime)優(yōu)先級范圍的MAX_RT_PRIO宏。
說白了就是，Linux實際上實現(xiàn)了140個優(yōu)先級范圍，取值范圍是從0-139，這個值越小，優(yōu)先級越高。nice值的-20到19，映射到實際的優(yōu)先級范圍是100-139。
新產(chǎn)生進程的默認優(yōu)先級被定義為：
- #define DEFAULT_PRIO (MAX_RT_PRIO + NICE_WIDTH / 2)
實際上對應的就是nice值的0。
正常情況下，任何一個進程的優(yōu)先級都是這個值，即使我們通過nice和renice命令調(diào)整了進程的優(yōu)先級，它的取值范圍也不會超出100-139的范圍，除非這個進程是一個實時進程，那么它的優(yōu)先級取值才會變成0-99這個范圍中的一個。
這里隱含了一個信息，就是說當前的Linux是一種已經(jīng)支持實時進程的操作系統(tǒng)。
什么是實時操作系統(tǒng)?
我們就不再這里詳細解釋其含義以及在工業(yè)領域的應用了，有興趣的可以參考一下實時操作系統(tǒng)的維基百科。
簡單來說，實時操作系統(tǒng)需要保證相關的實時進程在較短的時間內(nèi)響應，不會有較長的延時，并且要求最小的中斷延時和進程切換延時。
對于這樣的需求，一般的進程調(diào)度算法，無論是O1還是CFS都是無法滿足的，所以內(nèi)核在設計的時候，將實時進程單獨映射了100個優(yōu)先級，這些優(yōu)先級都要高于正常進程的優(yōu)先級(nice值)，而實時進程的調(diào)度算法也不同，它們采用更簡單的調(diào)度算法來減少調(diào)度開銷。
總的來說，Linux系統(tǒng)中運行的進程可以分成兩類：
- 實時進程
- 非實時進程
它們的主要區(qū)別就是通過優(yōu)先級來區(qū)分的。
所有優(yōu)先級值在0-99范圍內(nèi)的，都是實時進程，所以這個優(yōu)先級范圍也可以叫做實時進程優(yōu)先級，而100-139范圍內(nèi)的是非實時進程。
在系統(tǒng)中可以使用chrt命令來查看、設置一個進程的實時優(yōu)先級狀態(tài)。我們可以先來看一下chrt命令的使用：
我們先來關注顯示出的Policy options部分，會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)給各種進程提供了5種調(diào)度策略。
但是這里并沒有說明的是，這五種調(diào)度策略是分別給兩種進程用的，對于實時進程可以用的調(diào)度策略是：SCHED_FIFO、SCHED_RR，而對于非實時進程則是：SCHED_OTHER、SCHED_OTHER、SCHED_IDLE。
系統(tǒng)的整體優(yōu)先級策略是：
- 如果系統(tǒng)中存在需要執(zhí)行的實時進程，則優(yōu)先執(zhí)行實時進程。
- 直到實時進程退出或者主動讓出CPU時，才會調(diào)度執(zhí)行非實時進程。
實時進程可以指定的優(yōu)先級范圍為1-99，將一個要執(zhí)行的程序以實時方式執(zhí)行的方法為：
- [root@zorrozou-pc0 zorro]# chrt 10 bash
- [root@zorrozou-pc0 zorro]# chrt -p $$
- pid 14840's current scheduling policy: SCHED_RR
- pid 14840's current scheduling priority: 10
可以看到，新打開的bash已經(jīng)是實時進程，默認調(diào)度策略為SCHED_RR，優(yōu)先級為10。如果想修改調(diào)度策略，就加個參數(shù)：
- [root@zorrozou-pc0 zorro]# chrt -f 10 bash
- [root@zorrozou-pc0 zorro]# chrt -p $$
- pid 14843's current scheduling policy: SCHED_FIFO
- pid 14843's current scheduling priority: 10
剛才說過，SCHED_RR和SCHED_FIFO都是實時調(diào)度策略，只能給實時進程設置。對于所有實時進程來說，優(yōu)先級高的(就是priority數(shù)字小的)進程一定會保證先于優(yōu)先級低的進程執(zhí)行。
SCHED_RR和SCHED_FIFO的調(diào)度策略只有當兩個實時進程的優(yōu)先級一樣的時候才會發(fā)生作用，其區(qū)別也是顧名思義：
SCHED_FIFO
以先進先出的隊列方式進行調(diào)度，在優(yōu)先級一樣的情況下，誰先執(zhí)行的就先調(diào)度誰，除非它退出或者主動釋放CPU。
SCHED_RR
以時間片輪轉(zhuǎn)的方式對相同優(yōu)先級的多個進程進行處理。時間片長度為100ms。
這就是Linux對于實時進程的優(yōu)先級和相關調(diào)度算法的描述。整體很簡單，也很實用。
而相對更麻煩的是非實時進程，它們才是Linux上進程的主要分類。對于非實時進程優(yōu)先級的處理，我們首先還是要來介紹一下它們相關的調(diào)度算法：O1和CFS。
什么是O1調(diào)度?
O1調(diào)度算法是在Linux 2.6開始引入的，到Linux 2.6.23之后內(nèi)核將調(diào)度算法替換成了CFS。
雖然O1算法已經(jīng)不是當前內(nèi)核所默認使用的調(diào)度算法了，但是由于大量線上的服務器可能使用的Linux版本還是老版本，所以我相信很多服務器還是在使用著O1調(diào)度器，那么費一點口舌簡單交代一下這個調(diào)度器也是有意義的。
這個調(diào)度器的名字之所以叫做O1，主要是因為其算法的時間復雜度是O1。
O1調(diào)度器仍然是根據(jù)經(jīng)典的時間片分配的思路來進行整體設計的。
簡單來說，時間片的思路就是將CPU的執(zhí)行時間分成一小段一小段的，假如是5ms一段。于是多個進程如果要“同時”執(zhí)行，實際上就是每個進程輪流占用5ms的cpu時間，而從1s的時間尺度上看，這些進程就是在“同時”執(zhí)行的。
當然，對于多核系統(tǒng)來說，就是把每個核心都這樣做就行了。而在這種情況下，如何支持優(yōu)先級呢?
實際上就是將時間片分配成大小不等的若干種，優(yōu)先級高的進程使用大的時間片，優(yōu)先級小的進程使用小的時間片。這樣在一個周期結(jié)速后，優(yōu)先級大的進程就會占用更多的時間而因此得到特殊待遇。
O1算法還有一個比較特殊的地方是，即使是相同的nice值的進程，也會再根據(jù)其CPU的占用情況將其分成兩種類型：CPU消耗型和IO消耗性。
典型的CPU消耗型的進程的特點是，它總是要一直占用CPU進行運算，分給它的時間片總是會被耗盡之后，程序才可能發(fā)生調(diào)度。
比如常見的各種算數(shù)運算程序。
而IO消耗型的特點是，它經(jīng)常時間片沒有耗盡就自己主動先釋放CPU了。
比如vi，emacs這樣的編輯器就是典型的IO消耗型進程。
為什么要這樣區(qū)分呢?因為IO消耗型的進程經(jīng)常是跟人交互的進程，比如shell、編輯器等。
當系統(tǒng)中既有這種進程，又有CPU消耗型進程存在，并且其nice值一樣時，假設給它們分的時間片長度是一樣的，都是500ms，那么人的操作可能會因為CPU消耗型的進程一直占用CPU而變的卡頓。
可以想象，當bash在等待人輸入的時候，是不占CPU的，此時CPU消耗的程序會一直運算，假設每次都分到500ms的時間片，此時人在bash上敲入一個字符的時候，那么bash很可能要等個幾百ms才能給出響應，因為在人敲入字符的時候，別的進程的時間片很可能并沒有耗盡，所以系統(tǒng)不會調(diào)度bash程度進行處理。
為了提高IO消耗型進程的響應速度，系統(tǒng)將區(qū)分這兩類進程，并動態(tài)調(diào)整CPU消耗的進程將其優(yōu)先級降低，而IO消耗型的將其優(yōu)先級變高，以降低CPU消耗進程的時間片的實際長度。
已知nice值的范圍是-20-19，其對應priority值的范圍是100-139，對于一個默認nice值為0的進程來說，其初始priority值應該是120，隨著其不斷執(zhí)行，內(nèi)核會觀察進程的CPU消耗狀態(tài)，并動態(tài)調(diào)整priority值，可調(diào)整的范圍是+-5。
就是說，***優(yōu)先級可以被自動調(diào)整到115，***到125。這也是為什么nice值叫做靜態(tài)優(yōu)先級，而priority值叫做動態(tài)優(yōu)先級的原因。不過這個動態(tài)調(diào)整的功能在調(diào)度器換成CFS之后就不需要了，因為CFS換了另外一種CPU時間分配方式，這個我們后面再說。
什么是CFS完全公平調(diào)度?
O1已經(jīng)是上一代調(diào)度器了，由于其對多核、多CPU系統(tǒng)的支持性能并不好，并且內(nèi)核功能上要加入cgroup等因素，Linux在2.6.23之后開始啟用CFS作為對一般優(yōu)先級(SCHED_OTHER)進程調(diào)度方法。
在這個重新設計的調(diào)度器中，時間片，動態(tài)、靜態(tài)優(yōu)先級以及IO消耗，CPU消耗的概念都不再重要。CFS采用了一種全新的方式，對上述功能進行了比較完善的支持。
其設計的基本思路是：我們想要實現(xiàn)一個對所有進程完全公平的調(diào)度器。
又是那個老問題：如何做到完全公平?答案跟上一篇IO調(diào)度中CFQ的思路類似：
如果當前有n個進程需要調(diào)度執(zhí)行，那么調(diào)度器應該在一個比較小的時間范圍內(nèi)，把這n個進程全都調(diào)度執(zhí)行一遍，并且它們平分cpu時間，這樣就可以做到所有進程的公平調(diào)度。
那么這個比較小的時間就是任意一個R狀態(tài)進程被調(diào)度的***延時時間，即：任意一個R狀態(tài)進程，都一定會在這個時間范圍內(nèi)被調(diào)度響應。這個時間也可以叫做調(diào)度周期，其英文名字叫做：sched_latency_ns。
CFS的優(yōu)先級
當然，CFS中還需要支持優(yōu)先級。在新的體系中，優(yōu)先級是以時間消耗(vruntime增長)的快慢來決定的。
就是說，對于CFS來說，衡量的時間累積的絕對值都是一樣紀錄在vruntime中的，但是不同優(yōu)先級的進程時間增長的比率是不同的，高優(yōu)先級進程時間增長的慢，低優(yōu)先級時間增長的快。
比如，優(yōu)先級為19的進程，實際占用cpu為1秒，那么在vruntime中就記錄1s。但是如果是-20優(yōu)先級的進程，那么它很可能實際占CPU用10s，在vruntime中才會紀錄1s。
CFS真實實現(xiàn)的不同nice值的cpu消耗時間比例在內(nèi)核中是按照“每差一級cpu占用時間差10%左右”這個原則來設定的。
這里的大概意思是說，如果有兩個nice值為0的進程同時占用cpu，那么它們應該每人占50%的cpu，如果將其中一個進程的nice值調(diào)整為1的話，那么此時應保證優(yōu)先級高的進程比低的多占用10%的cpu，就是nice值為0的占55%，nice值為1的占45%。那么它們占用cpu時間的比例為55:45。
這個值的比例約為1.25。就是說，相鄰的兩個nice值之間的cpu占用時間比例的差別應該大約為1.25。根據(jù)這個原則，內(nèi)核對40個nice值做了時間計算比例的對應關系，它在內(nèi)核中以一個數(shù)組存在：
多CPU的CFS調(diào)度是怎樣的?
在上面的敘述中，我們可以認為系統(tǒng)中只有一個CPU，那么相關的調(diào)度隊列只有一個。
實際情況是系統(tǒng)是有多核甚至多個CPU的，CFS從一開始就考慮了這種情況，它對每個CPU核心都維護一個調(diào)度隊列，這樣每個CPU都對自己的隊列進程調(diào)度即可。
這也是CFS比O1調(diào)度算法更高效的根本原因：每個CPU一個隊列，就可以避免對全局隊列使用大內(nèi)核鎖，從而提高了并行效率。
當然，這樣最直接的影響就是CPU之間的負載可能不均，為了維持CPU之間的負載均衡，CFS要定期對所有CPU進行l(wèi)oad balance操作，于是就有可能發(fā)生進程在不同CPU的調(diào)度隊列上切換的行為。
這種操作的過程也需要對相關的CPU隊列進行鎖操作，從而降低了多個運行隊列帶來的并行性。
不過總的來說，CFS的并行隊列方式還是要比O1的全局隊列方式要高效。尤其是在CPU核心越來越多的情況下，全局鎖的效率下降顯著增加。
***
本文的目的是從Linux系統(tǒng)進程的優(yōu)先級為出發(fā)點，通過了解相關的知識點，希望大家對系統(tǒng)的進程調(diào)度有個整體的了解。
其中，我們也對CFS調(diào)度算法進行了比較深入的分析。在我的經(jīng)驗來看，這些知識對我們在觀察系統(tǒng)的狀態(tài)和相關優(yōu)化的時候都是非常有用的。
比如在使用top命令的時候，NI和PR值到底是什么意思?類似的地方還有ps命令中的NI和PRI值、ulimit命令-e和-r參數(shù)的區(qū)別等等。當然，希望看完本文后，能讓大家對這些命令顯示的了解更加深入。
除此之外，我們還會發(fā)現(xiàn)，雖然top命令中的PR值和ps -l命令中的PRI值的含義是一樣的，但是在優(yōu)先級相同的情況下，它們顯示的值確不一樣。
那么，你知道為什么它們顯示會有區(qū)別嗎?這個問題的答案留給大家自己去尋找吧！
