当系统中只有一个可运行进程时，CPU 直接执行它即可；当多个进程同时处于可运行状态时，就必须决定谁先运行、运行多久，以及什么时候换成另一个进程。这三个问题分别对应进程优先级、进程调度和上下文切换。

关键词： nice、PRI、并发、并行、上下文切换、运行队列、O(1) 调度器、CFS、EEVDF

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0. 先把三个问题串起来

调度过程可以拆成三步：

多个任务具备运行条件
        ↓
调度器选择下一个任务
        ↓
CPU 执行该任务一段时间

任务不会一直占着 CPU。时间配额用完、主动等待资源、更高优先级任务被唤醒或任务退出时，内核都可能重新调度：

任务 A 正在运行
      ↓ 发生调度时机
保存 A 的执行现场
      ↓
选择任务 B
      ↓
恢复 B 的执行现场并继续运行

因此，优先级解决的是“多个任务怎样竞争 CPU”，调度解决的是“选择谁”，上下文切换解决的是“怎样从一个任务安全地换到另一个任务”。

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1. 优先级和权限不是一回事

权限解决“能不能”，优先级解决“竞争时怎样分配”。

例如，一个进程没有读取某个文件的权限，那么无论它的 CPU 优先级有多高，都不能绕过文件权限检查。只有多个任务已经具备使用同一种资源的条件时，优先级才会参与先后顺序或资源份额的计算。

还需要注意：优先级高不等于一定立刻运行，也不等于会一直运行到结束。 调度结果还会受到调度策略、CPU 亲和性、任务是否阻塞、控制组限制以及系统负载等因素影响。对普通分时任务来说，更高的优先级通常表示在 CPU 竞争时获得更有利的运行机会或更多 CPU 份额。

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2. Linux 普通进程中的 nice 值

普通进程常用 nice 值表达“愿意对其他任务友好到什么程度”：

nice 值	含义
-20	优先级最高，竞争 CPU 时最有利
0	默认值
19	优先级最低，愿意让出更多 CPU

数值越小，调度越有利；数值越大，调度优先级越低。

nice 与 PRI 的关系

nice 会影响调度器为普通任务计算的权重，但 nice 本身不是一个通用的内核优先级编号。ps 输出中的 PRI 也不适合记成固定的“默认 80、范围 60～99”，因为不同显示格式、调度策略和实现可能采用不同的换算方式。

几个概念需要分开：

名称	所处层次	说明
nice / NI	用户可调整属性	现代 Linux 中范围为 -20～19
PRI	观察工具的输出字段	显示方式可能随工具和调度策略变化
static_prio	内核历史实现中的字段	旧 O(1) 调度器中普通任务常映射到 100～139
实时优先级	实时调度策略	与普通任务的 nice 不是同一套规则

所以，PRI(new) = PRI(old) + nice 可以帮助理解“nice 会修正调度倾向”，但不能当成适用于所有 Linux 版本和调度策略的固定公式。

谁可以修改 nice

普通用户通常可以把自己的 nice 值调大，也就是主动降低调度优先级；把 nice 值调小相当于提高优先级，一般需要相应权限，例如 CAP_SYS_NICE，或者受到合适的 RLIMIT_NICE 配置允许。

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3. 使用系统调用读取和修改 nice

#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/resource.h>

static int current_nice(int *value)
{
    errno = 0;
    int result = getpriority(PRIO_PROCESS, 0);
    if (result == -1 && errno != 0) {
        return -1;
    }

    *value = result;
    return 0;
}

int main(void)
{
    int before = 0;
    int after = 0;

    if (current_nice(&before) == -1) {
        perror("getpriority");
        return 1;
    }

    if (setpriority(PRIO_PROCESS, 0, 10) == -1) {
        perror("setpriority");
        return 1;
    }

    if (current_nice(&after) == -1) {
        perror("getpriority");
        return 1;
    }

    printf("before: nice = %d\n", before);
    printf("after : nice = %d\n", after);
    printf("larger nice value -> lower scheduling priority\n");
    return 0;
}

运行结果：

before: nice = 0
after : nice = 10
larger nice value -> lower scheduling priority

程序把自己的 nice 从 0 调整为 10，这是降低优先级，普通用户通常可以完成。反过来把 nice 从 10 改成负数属于提高优先级，在没有相应权限时会失败。

getpriority() 成功时也可能返回 -1，所以代码先清空 errno，再结合 errno 判断 -1 是合法 nice 值还是错误返回。

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4. 竞争、独立、并发和并行

竞争性

可运行任务的数量通常多于 CPU 核心数量，因此任务需要竞争 CPU。优先级和调度策略的作用，就是在竞争中兼顾吞吐量、响应速度和公平性。

独立性

不同进程通常拥有彼此隔离的虚拟地址空间，一个进程的普通内存访问不能直接修改另一个进程的地址空间。但“独立”不是完全没有联系：进程仍然可以有意共享文件、共享内存、管道、套接字等资源。

并发与并行

概念	条件	观察效果
并发	一个 CPU 核心交替推进多个任务	一段时间内多个任务都有进展
并行	多个 CPU 核心在同一时刻执行不同任务	多个任务真正同时运行

单核 CPU 在某一个瞬间只能执行一个任务，但切换足够快时，用户会感觉多个程序同时运行；多核 CPU 则既可以在每个核心上并发调度，也可以让多个任务真正并行。

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5. 哪些情况会触发调度

进程切换不只发生在“时间片用完”这一种情况下。

情况	当前任务发生了什么
运行配额到达调度边界	内核重新判断是否应该换任务
等待键盘、磁盘、网络、锁或定时器	任务主动离开可运行集合
更有资格运行的任务被唤醒	当前任务可能被抢占
主动让出 CPU	调度器重新选择任务
任务退出	当前任务不再参与后续调度

中断、异常或系统调用会让 CPU 进入内核，但进入内核并不必然发生任务切换。只有内核认为需要重新调度，并选中了不同任务时，才会真正进行上下文切换。

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6. 上下文切换保存了什么

进程运行时，CPU 寄存器中保存着当前计算所需的数据。不同体系结构的寄存器名称不同，但通常需要关注：

• 程序计数器或指令指针：下一条从哪里继续执行；
• 栈指针：当前函数调用栈位于哪里；
• 通用寄存器：运算参数、中间结果和返回值；
• 标志寄存器：条件码、控制位等状态；
• 浮点和 SIMD 寄存器：在需要时保存；
• 与内核栈、地址空间和线程状态相关的管理信息。

切换过程可以分开看：

第一步：任务 A 进入内核
第二步：保存 A 的寄存器现场和调度相关状态
第三步：调度器选择任务 B
第四步：切换到 B 的内核栈、地址空间等执行环境
第五步：恢复 B 上次保存的寄存器现场
第六步：B 从上次停下的位置继续执行

一个逻辑 CPU 同一时刻只有一套正在工作的物理寄存器，但寄存器中的值在逻辑上属于当前任务。任务被换下时，这些值会保存到内核管理的数据结构或内核栈中；任务再次运行时再恢复回来。具体保存位置和切换细节与处理器架构、内核版本有关，不能简单理解成所有内容都直接放在 task_struct 中。

上下文切换还会带来额外开销：除了保存和恢复状态本身，缓存、TLB 和分支预测器中的有效信息也可能受到影响。因此切换过于频繁会降低 CPU 的有效工作时间。

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7. 调度器怎样选择下一个任务

Linux 调度并不是把所有任务放进一条简单队列。内核会先区分调度类别和策略，例如普通公平调度、实时调度和截止时间调度，再由相应调度器选择任务。

对于普通任务，nice 主要影响公平调度中的权重；实时任务则有独立的实时优先级规则，不能用 nice 直接解释。

在多核系统中，每个 CPU 都有自己的运行队列。任务优先从本 CPU 的可运行集合中选择，同时系统还要进行负载均衡，避免某个 CPU 排满任务、另一个 CPU 却处于空闲状态。

调度器需要同时考虑：

• 优先级或调度权重；
• 任务已经获得了多少 CPU 时间；
• 响应延迟和吞吐量；
• 任务是否刚刚被唤醒；
• CPU 亲和性与多核负载；
• 避免低优先级任务长期得不到运行机会。

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8. Linux 2.6 早期的 O(1) 调度器

课程中的 active、expired、queue[140] 和 bitmap，描述的是 Linux 2.6 早期使用过的 O(1) 调度器，而不是 CFS。

优先级数组

旧调度器使用 prio_array 组织任务：

• queue[140] 对应 140 个优先级队列；
• 0～99 用于实时优先级；
• 100～139 用于普通任务；
• 相同优先级的任务进入同一条队列；
• bitmap 标记哪些优先级队列非空。

位图让调度器不必逐条遍历所有任务，就能快速定位最高优先级的非空队列。

active 与 expired

调度过程按下面的顺序推进：

从 active 的位图找到最高优先级非空队列
                    ↓
取出该队列前端的任务运行
                    ↓
任务的时间配额耗尽
                    ↓
重新计算后放入 expired 的对应队列
                    ↓
active 为空时交换 active 与 expired 指针

这里只交换两个指针，不需要搬运两个数组中的全部任务。选择任务的时间复杂度不随可运行任务数量线性增长，因此称为 O(1) 调度器。

这个模型适合理解“优先级队列、位图和轮换”怎样配合，但它是历史实现。把这套结构直接称为 CFS，或者用它解释当前 Linux 的普通任务调度，都会混淆不同年代的内核设计。

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9. 从 CFS 到 EEVDF

Linux 2.6.23 引入 CFS，替代了此前普通任务调度中的旧实现。CFS 不再使用 active/expired 两套优先级数组，而是根据虚拟运行时间 vruntime 维护任务，优先选择获得 CPU 时间相对较少的任务，以逼近“理想公平 CPU”。经典 CFS 实现使用按时间排序的红黑树组织可运行任务。

Linux 从 6.6 开始向 EEVDF 过渡。EEVDF 同样关心任务是否获得了公平份额，但进一步计算任务的 lag 和虚拟截止时间，从满足条件的任务中选择虚拟截止时间最早者，以兼顾公平性和响应延迟。

调度器	主要组织思想	选择依据
O(1)	优先级数组、位图、active/expired	最高优先级非空队列
CFS	虚拟运行时间、时间有序结构	较小的 vruntime
EEVDF	lag 与虚拟截止时间	最早的合格虚拟截止时间

虽然实现不断变化，nice 的核心作用仍然是影响普通任务在公平调度中的权重，而不是给出一个绝对的执行顺序。

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10. 常见误区

容易混淆的说法	准确理解
有权限就一定先执行	权限决定能否访问，优先级决定竞争时的调度倾向
优先级高的任务会一直运行到结束	任务仍可能被抢占、阻塞或退出 CPU
nice 就是内核优先级编号	nice 是影响普通任务调度权重的用户属性
Linux 的 PRI 永远默认 80	PRI 的显示与换算依赖工具、调度策略和实现
PRI(new)=PRI(old)+nice 是固定内核公式	只能作为入门类比，不能跨版本和策略机械套用
进程独立表示完全不共享资源	地址空间默认隔离，但进程可以有意共享多种资源
并发就是并行	并发强调一段时间共同推进，并行强调同一时刻同时执行
上下文切换只保存一个 PC 指针	还涉及栈、通用寄存器、标志、地址空间和内核执行环境
进入内核就一定发生进程切换	只有重新调度并选中不同任务时才切换
active/expired 是 CFS 的结构	它属于 Linux 2.6 早期的 O(1) 调度器

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11. 总结

进程优先级、调度和切换是一条连续的逻辑：

1. 多个可运行任务竞争有限的 CPU；
2. 调度策略结合权重、运行时间和系统状态选择任务；
3. 内核保存当前任务的执行现场；
4. CPU 恢复另一个任务的现场并继续执行；
5. 多次快速切换形成并发，多核同时执行形成并行。

nice 只是普通任务调度中的一个输入，不代表绝对执行顺序；active/expired 是理解旧 O(1) 调度器的历史模型，不是现代 CFS/EEVDF 的数据结构。把这些层次分开，才能正确解释 ps 中的优先级字段，也能避免把课程中的历史实现误认为当前内核的完整机制。

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