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学习 Linux,101

进程执行优先级

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概述

本文深入介绍基础的 Linux 进程管理技术。您将学习如何:

  • 理解进程优先级
  • 设置进程优先级
  • 更改进程优先级

本文帮助您准备 Linux Professional Institute's Junior Level Administration (LPIC-1) 考试 101 的 103 主题下的 103.6 考核目标。该考核目标的权值为 2。

先决条件

为了从本文获得最大的收益,您应该具备基础的 Linux 知识,并且具有一个能够正常运行的 Linux 系统,以便练习本文讨论的命令。不同版本的程序输出的结果的格式可能不同,因此您的结果可能与本文图片和清单所示的结果有所不同。本文的例子显示的结果来自于 Ubuntu 9.10 (Karmic Koala) 发行版。本文以上一篇文章 “学习 Linux,101:创建、监控和终止进程” 为基础。

了解优先级

Linux 与其他现代操作系统一样,也可以运行多个进程。它在多个进程之间共享 CPU 和其他资源。如果一个进程占用了 100% 的 CPU,那么其他进程将无法响应。

如果运行 top 命令,默认将按照 CPU 使用量的降序显示进程,如清单 1 所示。在上一篇文章 “学习 Linux,101:创建、监控和终止进程” 中,我们展示了一个简易的数字时钟脚本,它每 30 秒在控制台打印,其他时间不执行任何操作。如果我们运行该进程,它可以不会出现在 top 的输出列表上,因为该进程大部分时间不使用 CPU。

清单 1. Linux 工作站上 top 命令的典型输出
top - 08:00:52 up 1 day, 10:20,  5 users,  load average: 0.04, 0.08, 0.04
Tasks: 172 total,   1 running, 171 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
Cpu(s):  3.7%us,  0.3%sy,  0.0%ni, 95.6%id,  0.0%wa,  0.0%hi,  0.3%si,  0.0%st
Mem:   4057976k total,  1777976k used,  2280000k free,   225808k buffers
Swap: 10241428k total,        0k used, 10241428k free,   655796k cached

  PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND            
11220 ian       20   0  555m 106m  27m S    8  2.7  36:06.16 firefox            
    7 root      15  -5     0    0    0 S    1  0.0  10:59.36 ksoftirqd/1        
10849 ian       20   0  212m  15m  10m S    0  0.4   0:08.11 gnome-terminal     
    1 root      20   0 19584 1888 1196 S    0  0.0   0:00.83 init               
    2 root      15  -5     0    0    0 S    0  0.0   0:00.01 kthreadd           
    3 root      RT  -5     0    0    0 S    0  0.0   0:00.02 migration/0        
    4 root      15  -5     0    0    0 S    0  0.0   0:01.08 ksoftirqd/0        
    5 root      RT  -5     0    0    0 S    0  0.0   0:00.00 watchdog/0         
    6 root      RT  -5     0    0    0 S    0  0.0   0:00.03 migration/1

您的系统可能有很多命令都会占用大量 CPU。比如视频编辑工具、转换不同图片格式的程序或者音频编码转换程序(如将 mp3 转换为 ogg)等。

如果您只有一个 CPU 或者 CPU 的数量有限,那么必须决定如何在几个计算进程之间共享这些有限的 CPU 资源。通常的做法是,选择一个要执行的进程,并让它在短时间内运行(这个时间称为时间片),或者一直运行到它需要等待的一些事件,如要完成的 IO 等。为了确保重要的进程能够得到 CPU,这种选择是基于调度优先级 进程的。清单 1 中的 NI 列展示了调度优先级或者说每个进程的 niceness。niceness 的范围一般从 -20 到 19,-20 表示调度优先级最高,19 表示优先级最低。

使用 ps 查看 niceness

除了 top 命令之外,您还可以使用 ps 命令显示 niceness 值。您可以按照从文章 “学习 Linux,101:创建、监控和终止进程” 中学到的方式自定义输出,也可以使用 -l 选项获取长清单。ps -l 的结果如清单 2 所示。如果使用 top 命令,请在 NI 列中查看 niceness 值。

清单 2. 使用 ps 查看 niceness
ian@attic4:~$ ps -l
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S  1000 26502 26501  0  80   0 -  5368 wait   pts/4    00:00:00 bash
0 R  1000 27046 26502  0  80   0 -  1684 -      pts/4    00:00:00 ps

niceness 的默认值

从清单 1 和清单 2 中我们可以猜测出,常规用户所启用进程的 niecess 的默认值是 0。在当前的 Linux 系统中通常是这样。您可以运行 nice 命令且不带任何参数,以此验证您的 shell 和系统中的该值,如清单 3 所示。

清单 3. 查看默认 niceness
ian@attic4:~$ nice
0

设置优先级

在查看如何设置或更改 niceness 值之前,我们先构建一个 CPU 密集型小脚本,演示 niceness 的工作方式。

CPU 密集型脚本

我们将创建一个小脚本,它占用较多的 CPU,但执行的操作很简单。该脚本有两个输入:计数和标签。它打印标签以及当前的日期和时间,然后旋转,递减计数,直到它到达 0,最后再次打印标签和日期。该脚本如清单 4 所示,它没有任何错误检查机制,也不是非常稳定,但是它足以满足我们的演示需要。

清单 4. CPU 密集型脚本
ian@attic4:~$ echo 'x="$1"'>count1.sh
ian@attic4:~$ echo 'echo "$2" $(date)'>>count1.sh
ian@attic4:~$ echo 'while [ $x -gt 0 ]; do x=$(( x-1 ));done'>>count1.sh
ian@attic4:~$ echo 'echo "$2" $(date)'>>count1.sh
ian@attic4:~$ cat count1.sh
x="$1"
echo "$2" $(date)
while [ $x -gt 0 ]; do x=$(( x-1 ));done
echo "$2" $(date)

如果在系统上运行该脚本,它的输出将类似于清单 5。您可能需要增加计数值以查看时间的不同,具体取决于您系统的速度。该脚本将占用大量 CPU,等会我们就会看到这一点。如果您的默认 shell 不是 Bash,如果您的脚本无法运行,那么可以使用下文所示的第二种调用形式。如果您使用的不是自己的工作站,运行脚本前请确保占用大量 CPU 不会导致不良影响。

清单 5. 运行 count1.sh
ian@attic4:~$ sh count1.sh 10000 A
A Wed Jan 20 08:34:16 EST 2010
A Wed Jan 20 08:34:16 EST 2010
ian@attic4:~$ bash count1.sh 99000 A
A Wed Jan 20 08:34:20 EST 2010
A Wed Jan 20 08:34:22 EST 2010

到目前为止一切顺利。现在让我们创建一个在后台运行的脚本,并启动 top 命令查看脚本所用 CPU 的命令清单(请参见之前的文章 “学习 Linux,101:Linux 命令行” 了解最新的命令清单)。命令清单如清单 6 所示,top 的输出见清单 7。

清单 6. 运行 count1.sh 和 top
ian@attic4:~$ (sh count1.sh 5000000 A&);top
清单 7. 占用大量 CPU
top - 15:41:15 up 1 day, 17:59,  6 users,  load average: 0.20, 0.06, 0.02
Tasks: 169 total,   2 running, 167 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
Cpu(s): 52.1%us,  0.7%sy,  0.0%ni, 47.3%id,  0.0%wa,  0.0%hi,  0.0%si,  0.0%st
Mem:   4057976k total,  1393772k used,  2664204k free,   235596k buffers
Swap: 10241428k total,        0k used, 10241428k free,   662592k cached

  PID USER      PR  NI  VIRT  RES  SHR S %CPU %MEM    TIME+  COMMAND
26756 ian       20   0  4004  588  496 R  100  0.0   0:03.53 sh
11220 ian       20   0  555m 101m  27m S    5  2.6  57:58.07 firefox
26757 ian       20   0 19132 1364  980 R    0  0.0   0:00.03 top
    1 root      20   0 19584 1888 1196 S    0  0.0   0:00.89 init
    2 root      15  -5     0    0    0 S    0  0.0   0:00.01 kthreadd

不错。我们只使用了一个简单的脚本就占用了系统中一个 CPU 100% 的资源。如果希望占用多个 CPU,您可以在命令清单中添加对 count1.sh 的调用。如果运行过类似的作业,您会发现我们将无法在系统上执行其他工作(其他用户也是如此)。

使用 nice 设置优先级

现在我们可以让 CPU 持续忙碌一段时间,我们了解如何设置进程的优先级。目前我们学到的内容总结如下:

  • Linux 和 UNIX® 系统使用有 40 个优先级的优先级系统,范围从 -20(最高优先级)到 19(最低优先级)。
  • 常规用户启动的进程优先级一般是 0。
  • ps 命令可以使用 -l 选项显示优先级(例如,nice 或 NI、level)。
  • nice 命令显示我们的默认优先级。

nice 命令还可以用来启动具有不同优先级的进程。使用 -n 或 (--adjustment) 选项时带一个负值可以增加优先级值,带一个正值将减少优先级值。记住,具有最低优先级值的进程运行时有最高调度优先级,因此可以这样记忆,增加优先级值对于其他进程而言更好(nice)。注意,您必须是超级用户(根用户)才能调低优先级值。换句话说,常规用户通常只能增加它们的优先级值。

为了演示如何使用 nice 设置优先级,首先同时在不同的 subshell 中启动两个 count1.sh 脚本的副本,但是将其中一个的 nice 值设置为最大值 19。一会儿之后,我们使用 ps -l 显示进程状态,包括 niceness。最后,我们添加任意 30 秒的休眠时间,确保两个 subshell 完成之后命令序列完成。这样一来,我们在等待输出时不会得到新的提示。结果如清单 8 所示。

清单 8. 使用 nice 设置一对进程的优先级
ian@attic4:~$ (sh count1.sh 2000000 A&);(nice -n 19 sh count1.sh 2000000 B&);\
> sleep 1;ps -l;sleep 10
A Thu Jan 21 14:38:39 EST 2010
B Thu Jan 21 14:38:39 EST 2010
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 R  1000   946     1 99  80   0 -  1001 -      pts/3    00:00:01 sh
0 R  1000   948     1 99  99  19 -  1001 -      pts/3    00:00:01 sh
0 R  1000   952 32408  0  80   0 -  1684 -      pts/3    00:00:00 ps
0 S  1000 32408 32407  0  80   0 -  5368 wait   pts/3    00:00:02 bash
A Thu Jan 21 14:38:45 EST 2010
B Thu Jan 21 14:38:45 EST 2010

您对两个作业同时完成感到奇怪吗?我们的优先级设置怎么了?记住,脚本占用了一个 CPU。这个系统运行在 AMD Athlon™ 7750 双核处理器上,它的负载很轻,每个内核运行一个进程,不需要进行优化。

那么,让我们使用 4 个不同的 niceness 水平(0、6、12、18)启动 4 个进程查看会发生什么情况。我们将增加每个进程的忙碌计数参数使之运行的时间更长一些。查看清单 9 之前,请根据您了解的内容,预期一下会发生什么情况。

清单 9. 使用 nice 设置 4 个进程的属性
ian@attic4:~$ (sh count1.sh 5000000 A&);(nice -n 6 sh count1.sh 5000000 B&);\
> (nice -n 12 sh count1.sh 5000000 C&);(nice -n 18 sh count1.sh 5000000 D&);\
> sleep 1;ps -l;sleep 30
A Thu Jan 21 16:06:00 EST 2010
C Thu Jan 21 16:06:00 EST 2010
D Thu Jan 21 16:06:00 EST 2010
B Thu Jan 21 16:06:00 EST 2010
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 R  1000  1422     1 94  80   0 -  1001 -      pts/3    00:00:00 sh
0 R  1000  1424     1 42  86   6 -  1001 -      pts/3    00:00:00 sh
0 R  1000  1427     1 56  92  12 -  1001 -      pts/3    00:00:00 sh
0 R  1000  1431     1 14  98  18 -  1001 -      pts/3    00:00:00 sh
0 R  1000  1435 32408  0  80   0 -  1684 -      pts/3    00:00:00 ps
0 S  1000 32408 32407  0  80   0 -  5368 wait   pts/3    00:00:02 bash
A Thu Jan 21 16:06:14 EST 2010
B Thu Jan 21 16:06:17 EST 2010
C Thu Jan 21 16:06:26 EST 2010
D Thu Jan 21 16:06:30 EST 2010

使用 4 个不同的优先级我们发现,每个作业按照优先级顺序完成。请自行尝试不同的 nice 值演示各种可能的情况。

使用 nice 启动进程最后要注意的一点是:使用 nohup 命令时,不能使用命令清单或管道作为 nice 的参数。

更改优先级

renice

如果您正好启动了一个进程,但意识到它应该以不同的优先级运行,那么有一种方法可以在启动之后对其进行更改,即使用 renice 命令。您可以为进程指定一个绝对优先级(不是调整值),进程的更改如清单 10 所示。

清单 10. 使用 renice 更改优先级
ian@attic4:~$ sh count1.sh 10000000 A&
[1] 1537
ian@attic4:~$ A Thu Jan 21 16:17:16 EST 2010
sh count1.sh 1renice 1 1537;ps -l 1537
1537: old priority 0, new priority 1
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY        TIME CMD
0 R  1000  1537 32408 99  81   1 -  1001 -      pts/3      0:13 sh count1.sh 100
ian@attic4:~$ renice +3 1537;ps -l 1537
1537: old priority 1, new priority 3
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY        TIME CMD
0 R  1000  1537 32408 99  83   3 -  1001 -      pts/3      0:18 sh count1.sh 100

记住,您必须是超级用户才能为进程指定更高的调度优先级,或者说让它们的 nice 值更低。

您可以在手册上找到有关 nicerenice 的更多信息。


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publish-date=03222010