【Linux】进程优先级 | 进程的切换 | 环境变量详解

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💭 写在前面：我们先讲解进程的优先级，探讨为什么会存在优先级，以及如何查看系统进程、进程优先级的修改。然后讲解进程的切换，首次介绍进程的竞争性、独立性，以及并行和并发的概念，在通过讲解进程抢占引出可见寄存器与不可见寄存器。最后我们讲解环境变量，介绍环境变量 PATH，并且做一个 "让自己的可执行程序不带路径也能执行"的实践，讲解环境变量的到如何删除，最后再讲几个常见的环境变量。

Ⅰ. 进程优先级（Process Priority）

0x00 引入：什么是优先级？

我们先思考思考 权限 是什么？权限的本质是谈论 "能" 还是 "不能" 的问题。

那什么是 优先级 ？优先级是进程获取资源的先后顺序！

​

CPU 资源分配的先后顺序，就是指进程的优先权（priority）

优先权高的进程有优先执行权利。配置进程优先权对多任务环境的 Linux 很有用，可以改善系统性能，还可以把进程运行到指定的 CPU 上，这样一来就可以把不重要的进程安排到某个 CPU，可以大大改善系统整体性能。

0x02 为什么会存在优先级？

我们不妨先思考下我们日常生活中排队的本质，排队的本质可以说是 "确定优先级" ，

而插队行为就是更改优先级。因为排队造就了优先级，那我们为什么要排队？

​  可以不排队吗？可以，结果就是大家一窝蜂抢呗，全部用抢的。

"无理由暴力抢占式，优胜劣汰，我挤死你"

(前后时间来确认先后顺序) ​ (谁能挤谁能撞谁就排到前面)

现实生活中一旦出现了抢，就难免会引发争执。

在比如说食堂买饭如果大家都不排队，如果你就是挤不过别人，就会一直买不到，

你就每次都要饿肚子，这在操作系统中叫做 "饥饿问题" 。

所以，排队主要是换了一种竞争方式，不以那么残酷的方式竞争，让进程都能 井然有序 。

我们之所以要排队，其实最主要的原因是因为资源不够！

如果资源是无限的，就像希尔伯特旅馆一样，该旅馆拥有无限多的房间，那也不需要排队的了。

200 名学生要去食堂吃饭，但窗口就 20 个，当然需要排队。如果窗口有 200 个，理论上不用排。

因为 系统里面永远都是进程占大多数，资源是少数。 这就导致了进程竞争资源是常态！

排队和进程资源竞争都是一定要确认先后的，它们的本质都是 确认优先级 。

本章我们要讲的是 Linux 的进程优先级，Linux 下的优先级有很多方式，包括设置和修改。

我们不建议修改优先级，如果你不懂调度器的调度算法，你随便修改优先级其实就是变相地 "插队" 了。你可以让你的进程尽快地得到了某种 CPU 资源或其它资源，凡是可能会打破调度器的平衡。其实你在用户层再怎么设置，也不会对调度器的调度策略产生什么影响。

再加上设置优先级没有什么意义，所以本章我们就不去讲解了。

0x03 查看系统进程：ps -l

🔍 查看系统进程：在 Linux 或者 Unix 系统中，输入  ps -l  命令则会输出内容：

$ ps -l    # 查看进程的优先级

​

我们写一个简单的 Hello 程序，令其每隔一秒发送一次 Hello：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    while (1) {
        sleep(1);
        printf("Hello!\n");
    }
}

我们把它运行起来，此时我们使用  ps -l   查看：

​

因为  ps -l  只能显示当前终端下进程的相关信息，我们可以使用给它加上 ​ 选项：

$ ps -la   

 ​

此时我们的进程 process 就显示出来了，我们重点关注 ​ 和 ​ 列。

 Linux 中的进程优先级由两部分组成：​

• ​：优先级 (priority)，默认进程优先级为 ​。
• ​：nice 值 (nice value) ，进程优先级的修正属性，取值区间为 ​ ，默认值为 ​ 。

📌 注意：数字越小，表示优先级越高；数字越大，优先级越低。（Linux 下）

优先级的部分我们在 task_struct 中也是可以找到的。
它的优先级和我们上一章讲的进程状态一样，也是个整数，在 task_struct 中表示：

​

0x04 进程优先级的修改

要更该进程的优先级，需要更改的是 ​，而非 ​ 。

因为 nice 值是进程优先级的修正数据，所以一个进程不管是在启动前还是在运行中，想要修改优先级，都是通过修改它的 nice 值来达到目的。

其实，我们系统中是存在   nice  命令的，对应的还有   renice  。

$ nice  
$ renice

它们可以让我们在启动一个进程时直接指定优先级，或者启动中或启动前设置优先级。

感兴趣可以自行查阅，我们还是主要学习如何使用   top  命令去修改：

$ top

​

进入 top 后我们键入 ​ ，此时会发出询问：PID to renice [default pid=]

在后面输入我们要修改的进程的 ​ 即可，我们刚才进程的 ​ 是 ​：

​

然后会询问：PID to renice [default pid=1] ，问你要设置哪个进程的 ​：

​

这里居然提示  Failed  修改失败了！Permission denied (么得权限) ！

​ 因为我们刚才说过：

"一个进程的优先级不能轻易被修改，因为会打破调度器的平衡"

如果你执意修改，你须具备 👑 超级用户 的权限 —— ​ ！这里我们 sudo top 就行：

$ sudo top

 ​

​

 ​ 找到了找到了，我们继续，我们继续！

我们刚才将 nice 值修改为 -20，现在 ​ 优先级变成 60 了。

值得强调的是，Linux 不允许用户无节制地设置优先级，设置的优先级范围不能逾过下列区间：

​

其取值范围是 ​ 至 ​，一共 40 个可设置级别。

​ 值越小越快被执行，Linux 的优先级是这样设置的：

prio = prio_old + nice;

所以，只需要改 nice 优先级就能变化。

📌 注意：每次设置优先级，这个 old 优先级都会被恢复成为 80 （跟上一次没关系）

Ⅱ. 进程的切换（Process Switch）

0x00 竞争与独立

竞争性：僧多粥少！系统进程数目众多，而 CPU 资源只有少量，甚至一个，所以进程之间是具有竞争属性的。为了高效的完成任务、更合理竞争相关资源，便具有了优先级。

独立性：多进程运行，需要独享各种资源，多进程运行期间互不干扰。

进程运行具有独立性，不会因为一个进程挂掉或者异常而导致其它进程出现问题！

内核结构 + 代码和数据

❓ 思考：那么操作系统是如何做到进程具有独立性的呢？

（我们将在后续讲解进程地址空间时揭晓）

0x01 并行和并发

并行：多个进程在多个 CPU 下分割，同时进行运行，我们称之为并行。
并发：多个进程在单个 CPU 下采用进程切换的方式，在一段时间内，让多个进程都得以推进，称之为并发。

下面我们来理解一下并行与并发。

一般服务器都是双 CPU 的，所以双 CPU 的系统是存在的，就会存在多个进程同时在跑的情况。

如果存在多个 CPU 的情况，任何一个时刻，都有可能有两个进程在同时被运行 —— 并行 。

但我们大家接触的、用的笔记本电脑基本都是单核的，单 CPU 的任何时刻只允许一个进程运行。

我的电脑是单 CPU 的，但是我的电脑中有各种进程都可以在跑啊？怎么肥事啊？

它是怎么做到的呢？

不要认为进程一旦占有 CPU，就会一直执行到结束，才会释放 CPU 资源。

所以一直让它跑，直到进程执行完，是不存在的，我们遇到的大部分操作系统都是 分时 的！

操作系统会给每一个进程，在一次调度周期中，赋予一个 时间片 的概念。

例：一秒钟之内每一个进程至少要被调度20次，每一次调度就是自己代码得以推进的时候。

在一个时间段内，多个进程都会通过 "切换交叉" 的方式，当多个进程的代码，在一段时间内都得到推进 ——  并发。

0x02 进程抢占

❓ 思考：OS 就是简单的根据队列来进行前后调度的吗？有没有可能突然来了一个优先级更高的进程？

抢占式内核！我们现在的计算机基本都是支持 抢占 的。正在运行的低优先级进程，可能正在享受着它的时间片、推进着代码，但是如果来了优先级更高的进程，我们的调度器会直接把对应的进程从 CPU 上剥离，放上优先级更高的进程，这个操作就叫做 进程抢占。

了解

a. 不允许不同优先级的进程存在的 
b. 相同优先级的进程，是可能存在多个的

task_struct* queue[5];

根据不同的优先级，将特定的进程放入不同的队列中！这其实就是一张简单的哈希表，后面列入的都是队列，其原理是通过哈希根据不同的哈希值确定队列的优先级，每一种优先级 Linux 都会维护一个队列。

举个最简单的例子，下面的 z 是如何得到已经释放的临时变量 a 的数据的？

int func() {
    int a = 10 + 20;
    return a;
}

int z = func();

寄存器功不可没，拷贝一份到寄存器里去，然后再  给 z 变量。

CPU 内的寄存器是：可以临时地存储数据

寄存器分为 可见寄存器 和 不可见寄存器 。

当进程在被执行的过程中，一定会存在大量的临时数据，会暂存在 CPU 内的寄存器中。

寄存器上数据的重要性：

我们把进程在运行中产生的各种寄存器数据，我们叫进程的硬件上下文数据。

• 当进程被剥离：需要保存上下文数据
• 当进程恢复时：需要将曾经保存的上下文数据恢复到寄存器中。

上下文在哪里保存？task_struct ！

📌 注意事项：要准确区分，"寄存器" 和 "寄存器里的数据" 的区别。

• 寄存器只有一套，但是寄存器里的数据有多份。

Ⅲ. 环境变量（Environment Var）

0x00 引入：思考一个问题

❓ 思考：为什么我们的代码运行要带路径，而系统的指令不用带路径？

如果我们直接输入我们的可执行程序，会显示 bash: process: command not found 

我们说过，执行系统的指令实际上也是程序，系统的指令你也是可以带上路径的：

其实，我们可以通过它的报错 "command not found" 发现些什么！

要执行一个可执行程序，前提是要先找到它。

现在我们的问题就可以转化成：为什么系统的命令能找到，而我们自己的程序找不到？

💡 真相

系统中是存在相关的 环境变量，保存了程序的搜索路径的！

为什么我们的代码运行要带路径，而系统的指令不用带？其本质是由环境变量  引起的！

0x01 环境变量 PATH 

我们可以通过 env 指令查看环境变量：

$ env

这些变量每一个都有它特殊的用途，系统中搜索可执行程序的环境变量叫做 。

我们可以通过 grep 去抓一下：

如何查看环境变量的内容？我们可以使用 echo  去显示：

$ echo $PATH

 在  前加上 $ 符即可打印出环境变量：

环境变量  中会承载多种路径，中间用冒号 ( : ) 作为分隔符。

我们再执行某一个程序时，比如执行 ls 时，我们的系统识别到 ls 的输入时，会在上面路径中逐个搜索，只要在特定的路径下找到了 ls，就会执行特定路径下的 ls 并停止搜索。

换言之， 就提供了环境变量，可执行程序搜索的路径。

我们的 ls 在  usr/bin  路径下，这说明当前的 ls 在  中是可以被找到的，

所以执行 ls 的时侯自然可以不带路径，所以我们自己的  process 不带路径自然就不能执行。

因为当前的  process 所在的路径并没有这里的环境变量，程序在搜索的时侯找了路径也没有找到你这个可执行程序，搜索完找不到，自然就报 "command not found" 了。

0x02 实践：让自己的可执行程序不带路径也能执行

那我现在就想让我的可执行程序 process 不带路径直接执行起来，可以吗？

可以！我们先讲述一种简单粗暴的方式，直接把我们的可执行程序 cp 拷贝到系统的路径中：

$ sudo cp process /usr/bin/

既然系统的所有命令都在 usr/bin 路径下，那我们把我们的 process 拷进去就行了。

实际上，刚才那个操作我们可以称之为 "软件被安装到系统上"，但是我们不建议你去自己安装。

也更不建议你将你的指令拷贝到 Linux 系统路径下，因为这会污染 Linux 下的命令池。

经常这么干时间久了你可能都忘了这个是干什么的，半年之后：

"诶！我这系统里怎么还有个 process？"

可能就分不清是你写的还是系统的了，所以我们不建议这么做！

更好的方式是将 process 所处的路径也添加到环境变量中。

前置：在 Linux 命令行中，我们也是可以定义变量的，命令行变量分为两种：

• 普通变量
• 环境变量（具备全局属性）

命令行上直接写，变量名等于值，你所定义的这个变量 ，就是 本地变量。

（我们这里先对本地变量做一个小小的理解，稍后我们还会讲解的）

用系统查看环境变量的命令 env 去查看一下这个本地变量，会发现根本找不到，

因为它不以环境变量的形式存在，但是它是存在的！

如果你想让一个变量变成环境变量，你可以通过 export 导出一个在系统中可以查看的环境变量：

$ export []=[]

通过 env 并 grep 一下这个变量，我们就能找到我们导出的环境变量了：

（至于环境变量和本地变量之间的差别，我们稍后再讲）

现在我们知道该如何导环境变量了，现在我想执行我的程序不想再带路径该怎么办呢？

💭 操作演示：下面我们来做个好玩的：

把我们的环境变量，当前路径导入到  路径中看看会发生什么：

$ export PATH=[路径]

这么一导之后，我们发现我们的 process 可以跟系统指令一样不带路径直接执行了：

但是好像我们的系统指令全都寄了！！！

 啊这，怎么会这样呢？！

因为你把  里的环境变量都搞没了，只剩你自己的路径了，所以这些指令自然都找不到了。

出现了你刚才自己可执行程序不带路径后 Enter 的报错 "command not found" 。

 这……难道环境污染了（紧张）？我的要服务器坏掉了（害怕）？

不用担心！在命令行上设置的环境变量是具有临时性的，只在你登陆期间有效。

你刚才的修改只是在内存中的修改，不会修改系统当中的相关配置文件。

所以你只需要关掉重开就行了，随便搞，不会影响。

如果你想让你的环境变量设置永久有效的话，是需要更改配置文件的，该配置文件在系统当中，跟云服务器没有关系。

那我们该怎么做呢？来，这么做：

$ export PATH=$PATH:[路径]

0x03 环境变量的导入和解除

刚才我们通过 export 去导入变量，如果想取消一个变量，就可以使用 unset 来取消变量设置：

此时我们使用 unset 环境变量，就可以解除 foo：

" 这些东西实际上都是 shell 命令，export 是导出，unset 是取消 "

0x04 介绍几个常见的环境变量

刚才我们介绍了环境变量 ，它是用来指定命令的搜索路径的。 

下面我们来详细介绍一下常见的环境变量，刚才我们就是用 env 指令去查看环境变量的：

我们能看到有很多环境变量，比如下面这个  就是表示 "对应这台主机的主机名" 。

我们同样也是可以通过 echo 指令带上 $ 去查看环境变量：

echo $HOSTNAME

再比如 ，它可以告诉你你的 shell 在哪里，通常是 /bin/bash 

echo $SHELL

得益于 Linux 存在历史命令的记录功能，我们可以在 Xshell 里 ↑ ↓ 显出历史命令，就像这样： 

"总不能一直记吧？肯定是有个指令记录的阈值的！"

没错！Linux 最多允许你记录的历史命令条数是 3000。

而我们接下来要介绍的   (History Size)，就是定义一共记录多少历史指令的环境变量：

$ echo $HISTSIZE

顺便一提，我们可以通过 history 命令令去查看我们历史敲过的所有命令：

 再来！我们再说几个 ~

我们一般是通过 whoami 指令去查看当前是谁正在使用系统的，而  就记录了当前谁在用。

$ echo $USER

 ​​​​​​

不知道大家有没有关注过，每次登陆服务器默认所处的路径？就是默认所处的工作目录。

root 用户的工作目录和普通用户的工作目录不同，那 Linux 是如何知道的呢？ 

：指定用户的主工作目录（即用户登陆到 Linux 系统中时，默认的目录）

当然还有很多，比如  记录了谁登的服务器、地址、端口号等。

（环境变量实在多，全部讲完不太现实，上面我们讲的都是一些常用的，欢迎补充）

0x05 尾记

命令行中启动的进程，父进程全部都是 bash 。

环境变量具有全局属性，环境变量是会被子进程继承下去的。

所谓的本地变量，本质就是在 bash 内部定义的变量，不会被子进程继承下去。

Linux 下大部分命令都是通过子进程的方式执行的，但是还有一部分命令不通过子进程的方式执行，而是由 bash 自己执行（调用自己的对应的函数来完成特定的功能，比如 cd 命令），我们把这种命令叫做 内建命令。

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📌 [ 笔者 ]   王亦优
📃 [ 更新 ]   2022.3.
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📜 [ 声明 ]   由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
              本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！