Linux进程管理原理

Linux的进程管理，就是对硬件各资源进行分配、调度、销毁等工作，其主要部件的管理为：CPU、内存、IO的分配和调度工作。其CPU的指令执行又分为特权指令、普通指令级别，而在linux系统层面将其对应为内核空间、用户空间。系统运行之上的程序通常只能执行普通指令，如果需要管理硬件，与硬件相关的读、写、删除操作（即面向硬件层面的请求），需要向init进程提交请求，再由Init进程发送给内核，由内核调用CPU完成其指令，这个过程被称作为系统调用，也被称为软中断。而系统调用在用户空间的表现形式为各种函数，即程序内部代码调用了其对应的函数模块。从用户模式切换到内核模式，或者从内核模式到用户模式，这个过程就称之为模式切换。当发起一个系统调用，通常被称之为一个软中断. 当IO或者其他的硬件完成操作，需要将其结果发送给CPU处理时，CPU此时将暂停其他工作，接手其IO的中断请求，这过程被称之为硬中断.

CPU是将其计算能力划分为以时间为单位的时间片，再将时间片发配给进程使用，以此来完成程序的响应。由于各进程会抢用时间片，以造成其他进程不能正常工作的情况，此时将由内核管理进程的运行状态、优先级、进程的生命周期等工作，此过程被称之为进程调度。当计算机只有一颗物理CPU时，意味着正在运行的情况只能有一个，多任务处理的情况会面临抢占资源。故需要将多个等待处理的进程状态保存至内存中，Linux内核存储进程的结构体被称之为task struct,每个task struct都保存了其进程名，存储位置，进程的优先级等信息，多任务的task struct存储被称之为链表结构（task list）,即内核把物理内存分成大小为4k的页框，再将页框分配给进程的虚拟内存(vritual size,虚拟内存集)，让每个进程都工作在虚拟内存集中，从虚拟层面感知自己可用空间为系统的剩余空间。当系统启用时会加载很多的基本库glic或者其他的程序所共同依赖的库文件，都会一次性加载到内存中，这部分被称之为共享内存集(shared size),如果每个内存将使用共享内存中的库文件，会在自己的虚拟内存中添加其所需的文件内存地址指针.而不是把所需要的文件都加载到其进程空间中。

共享内存集又被分为常驻内存和不常驻内存，常驻内存一般是系统调用所需要的库文件，故是不能被交换到交换分区的。当内存负荷比较大的情况下，内核会通过LRU算法将不常用的内存空间交换到交换分区，如果需要重新使用此进程时，内核又会将其调入到内存中加载被使用。

内存管理中，每个进程又被分优先级。内核将进程划分为280个队列，其中140个队列存放过期队列（被调度过的进程），140个队列存放运行的进程，当下次调用进程的时候，只需要扫描140个运行的进程队列首部即可，以此完成快速调用。其每个队列有其对应的优先级，表示范围为『0-139』。「0-99」是实时优先级，数值越大，优先级越大。「100-139」是静态优先级，其中可通过管理命令调整，使用nice值表示为-20,19，并对应100-139的优先级。其nice值越小表示优先级越高。越高优先级的进程会被优先调用执行。当一个进程正在运行时，此时一个高的优先级进程需要先执行，CPU将暂停正在运行的进程，将CPU的运行状态保存至寄存器，这个过程称之为保存现场。这种进程与进程之间的切换，也被称之为上下文切换。

内存存放数据格式

• 堆（heap）
  • 一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收
• 栈（stack）
  • 由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等
• 代码段
• 数据段

进程间通信机制IPC （inter process communication）：

• socket
• D-bus（用于桌面程序和OS通信）
• Dcop(轻量级的，功能较少，一般用于K桌面环境)
• SOAP（用于web服务，使用http其传输协议）
• XML-RPC（用于web服务，使用http其传输协议）
• CORBA(面积对象编程中复杂的IPC解决方案)

进程的类型

• 守护进程：daemon（服务类），在系统引导过程中启动的进程，跟终端无关
• 前台进程：跟终端相关，通过终端启动的进程

进程的状态及其就对的代码

• 运行态：running,正在运行的
  • R：running
• 就绪态：ready，等待运行的
• 睡眠态：
  • 可中断的睡眠：interruptable
    • S : interruptable-sleeping
  • 不可中断的睡眠 ：uninterruptable(其有IO等待)
    • D :uninterruptable-sleeping
• 停止态：stopped,暂停于内存中，但不会被调度执行，除非手动启动
  • T : stopped
• 僵死态：zombile,僵尸进程
  • Z : 僵死态

进程标识符代码：

• + : 前台进程，运行在终端之上，需占用prompt
• l : 多线程进程
• N : 低优先级
• < : 高优先级
• s : session leader, 可以理解为会话的父进程

查看内核中进程的相关信息

• /proc/PID
• /proc/PID/maps : 进程存放内存映射的位置

进程IO调用的过程：

• 先将数据由内核加载到内核空间，
• 再将内核空间的数据复制一份到进程空间

Centos各版本的守护进程

• Centos 5
  • Sys init --> 依赖脚本串行启动，比较慢
• Centos 6
  • Sys init --> upstart启动程序，依赖于ubus机制通信，并行启动各进程
• Centos 7
  • Systemd --> systemd启动程序，只需要一个init进程，就可以把各服务启动起来，启动速度快

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Linux下进程管理各工具

ps命令

工作原理：

• 通过/proc输出状态信息。/proc/PID的目录下，存放了当前进程的各种信息

ps命令

ps - ps - report a snapshot of the current processes.

• synopsis: ps [options]
  • [options]
    • 其有三种风格使用方法：

            1 UNIX options, which may be grouped and must be preceded by a dash. 
            2 BSD options, which may be grouped and must not be used with a dash. 
            3 GNU long options, which are preceded by two dashes.

* `a` : 所有与终端相关的进程
* `x` : 所有与终端无关的进程
* `u` : 以用户为中心来组织状态信息显示，其是以PID进行排序
* `-e` : 显示所有进程
* `-f` : 显示完整格式的进程信息
* `-F` : 显示完整格式
* `-H` : 以层级结构显示进程的相关信息
* `o` : 自定义要显示的字段列表，以逗号分隔
    * ps axo pid,cmommand

常用组合：

• ps aux

    [root@zhenping 1]# ps aux
    USER        PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
    root          1  0.0  0.7  59632  7676 ?        Ss   21:06   0:01 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserialize 24
  

• ps -ef

    [root@zhenping 1]# ps -ef
    UID         PID   PPID  C STIME TTY          TIME CMD
    root          1      0  0 21:06 ?        00:00:01 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserialize 24
  

• ps -eFH

    root@zhenping 1]# ps -eFH
    UID         PID   PPID  C    SZ   RSS PSR STIME TTY          TIME CMD
    root          2      0  0     0     0   0 21:06 ?        00:00:00 [kthreadd]
  

• ps -eo

    [root@zhenping 1]# ps -eo pid,command,user
    PID COMMAND                     USER
  

• ps axo

    root@zhenping 1]# ps axo pid,command,user,nice
    PID COMMAND                     USER      NI
  

ps中常用的命令字段

• pid
• nice
• pri：优先级
• psr:进程当前分配的处理器
• pcup:占用CPU百分比
• stat：进程状态
• command：运行的程序
• tty：终端
• ppid：父进程
• rtprio :realtime priority，实时优先级

ps命令显示中的字段名称含义

• %CPU : 占用CPU的百分比
• %MEM : 占用内存的百分比
• VSZ : virtual size,虚拟内存集（线性内存空间存数据占用的大小）
• RSS : resident size,常驻内存集，不能放到交换内存上，有的时候也会显示为RSZ（rsszie.resident set size）
• STAT : 进程的运行状态
• time : 进程占用CPU的累计时间
• USER : 用户

pgrep命令

功能

• 进程过滤，以实现快递查找进程

pgrep - pgrep, pkill - look up or signal processes based on name and other attributes

• synopsis: pgrep [options] pattern

• [options]

  • -u UID : 显示指定用户的进程

  • -U UID : read user,由谁启动的进程

  • -t Terminal : 与指定的终端相关的进程

  • -l : 显示进程名

  • -a : 显示完整格式的进程名，进程名和启动的参数

  • -p PIDNUM : 显示此进程的子进程

      pgerp ssh : 查看进程中有ssh的字符串的进程
      pgrep sshd | xargs -i kill -9 {}  #将所有sshd进程退出
      pgrep sshd | xargs kill -9 #同上
    

pkill命令

• 用法与pgerp相同

pidof命令

• 取指定进程的进程号

    pidof sshd   # 显示sshd的进程号
    2215 1041
  

top命令

top - display Linux processes

top中显示名称含义解释

• 第一行（uptime信息，可以使用l命令关闭或显示）

    系统的当前时间、运行时长、登录用户、平均负载（过去1分钟、5分钟、15分钟的平均负载，指每逻辑CPU进程队列长度）
  

• 第二行(进程任务)

• 第三行 : （CPU使用情况，可以使用t命令关闭或显示）

  • us : 用户空间
  • sy : 内核空间(一般负载的CPU，us与sy所点的比例为7:3)
  • ni : nice
  • id : 空闲百分比
  • wa : 等待IO完成的时间
  • hi : 硬件中断消耗CPU百分比
  • si : 软件中断消耗CPU百分比
  • st : 被偷走的百分比，一般指虚拟机
  • cs : 上下文切换

• 第四行（内存使用信息，可以使用m命令关闭或显示）

  • 总空间
  • 空闲空间
  • 已使用空间
  • 缓冲和缓存的空间（可以被回收再使用，不逄真的占用）
    • 真正的系统空间应为：free + buff/cache

• 常用字段说明

• VIRT : 虚拟内存集

• RES : 常驻内存集

• SHR : 共享内存集

• 常用命令

• M : 以内存占用率排序

• P : 以CPU占用率排序

• T : 以累计占用CPU时间排序

• q : 退出top工具

• k : 终端指定的进程

• s : 更改top的刷新时间，默认为3秒

• u : 只显示指定用户的进程

• top启动参数

• -d # : 启动时指定刷新时间间隔，默认为3秒

• -b : 以批次方式显示

• -n # : 显示多少批次

htop命令

• [options]

  • -d # : 指定刷新时间的时间间隔
  • -u USERNAME ：仅显示指定用户的进程
  • -s COLUME : 以指定字段进程排序

• 内置命令

  • s : 显示进程的系统调用
  • l : 显示选定的进程打开的文件列表
  • t : 以层级关系显示各进程的状态
  • a : 选定进程绑定在指定的CPU上

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Linux性能查看工具

vmstat命令

vmstat - Report virtual memory statistics

• synopsis: vmstat [options] [delay [count]]

    vmstat 2 : 每两秒钟显示一次
    vmstat 2 3 : 每两秒钟显示一次，显示3次
  

• [options]

  • -s : 显示内存各种统计数据

各种选项字段说明

• procs

  • r : 处于等待运行的进程个数，即每CPU上等待运行的任务长度，实时的，不是其平均值
  • b : 阻塞的任务队列长度，处于不可中断睡眠态的进程个数，如果这个值太大，说明IO太大

• memory

  • swpd : 交换内存的使用问题，0表示没有启动交换内存，如果使用量太大，说明服务器内存太小了
  • free : 空闲的物理内存总量
  • buff : 用于buffer的内存总量
  • cache : 用于cache的内存总量

• swap

  • si : 平均值，数据进入swap中的数据速率(kb/s)
  • so : 平均值，数据离开swap中的数据速率（kb/s）
    • 注意：si so的活动频繁，速率大，交换内存也使用了，并且有增大的趋势，说明物理机的内存太小了

• io

  • bi : 从块设备读入数据到内存的速率（kb/s）
  • bo : 从内存到块设备的速率（kb/s）

• system

  • in : interrups(中断)，中断速率，数值太大了，说明CPU太弱
  • cs : context switch ,上下文切换速率，数值太大了，说明CPU太弱

• CPU

  • us:用户空间占用的百分比
  • sy:内核空间
  • id: idle,空闲的
  • wa: wait，等待IO完成的
  • st: stolen，被偷走的时间

dstat命令：

dstat - versatile tool for generating system resource statistics

• dstat [-afv] [options..] [delay [count]]

  • [options]
    • -c: 查看CPU
    • -C #，#..,total :查看指定CPU或总的CPU
    • -d :disk的相关信息
    • -D sda,sdb….total :磁盘信息
    • -g : 显示Page相关的统计数率数据
    • -i : 中断
    • -m : mem
    • -n ；interface的相关统计数据
    • -p : process的相关统计数据
    • -r : IO请求相关统计数据
    • -s : swapped相关统计数据
    • -t : 输出当前时间
    • —-aio : 异步同步信息
    • —-rpc
    • —-lock : 文件锁的信息
    • —-raw : 祼套接字的信息
    • -—tcp :查看tcp连接信息
    • -—udp:
    • —-raw
    • —-socket
    • —-ipc
    • —-top-io: 显示最占用io的进程
    • —-top-cpu: 最占用cpu的进程
    • —-top-int :最大中断的进程
    • —-top-mem:最占用内存的进程
    • —-top-latency: 延迟最大的进程

iostat

iostat - Report Central Processing Unit (CPU) statistics and input/output statistics for devices and partitions

• [options]

  • -d : 显示磁盘设备

  • -k : 以block为单位显示的列强制使用K为单位

  • -x : 显示其扩展信息

      iostat -x 1 10 : 显示扩展信息，以1秒刷新间隔，显示10次
      Device:         rrqm/s   wrqm/s     r/s     w/s    rkB/s    wkB/s avgrq-sz avgqu-sz   await r_await w_await  svctm  %util
      sda               0.06     0.05    1.07    0.28    12.36     5.81    26.90     0.00    0.91    0.70    1.71   0.74   0.10
      
      说明：
          rsec/s：每秒读取的扇区数；
          wsec/：每秒写入的扇区数。
          avgqu-sz 是平均请求队列的长度。毫无疑问，队列长度越短越好
          await：  每一个IO请求的处理的平均时间（单位是微秒毫秒）。这里可以理解为IO的响应时间，一般地                     系统IO响应时间应该低于5ms，如果大于10ms就比较大了。这个时间包括了队列时间和服务时                       间，也就是说，一般情况下，await大于svctm，它们的差值越小，则说明队列时间越短，反之                      差值越大，队列时间越长，说明系统出了问题。
          svctm    表示平均每次设备I/O操作的服务时间（以毫秒为单位）。如果svctm的值与await很接近，表                        示几乎没有I/O等待，磁盘性能很好，如果await的值远高于svctm的值，则表示I/O队列等待太                       长，系统上运行的应用程序将变慢。
          %util： 在统计时间内所有处理IO时间，除以总共统计时间。例如，如果统计间隔1秒，该设备有0.8秒在                        处理IO，而0.2秒闲置，那么该设备的%util = 0.8/1 = 80%，所以该参数暗示了设备的繁忙                        程度。一般地，如果该参数是100%表示设备已经接近满负荷运行了（当然如果是多磁盘，即                      使%util是100%，因为磁盘的并发能力，所以磁盘使用未必就到了瓶颈）。
    

pmap命令

功能：

• 查看进程内存映射表

synopsis: pmap [option] PID [...]

• [option]

  • -x : 显示详细格式的信息

      pmap -x 1 #显示Pid为1的内存映射表详细信息
      pma 1 #显示PID为1的内存映射表信息
    

注意：可以 cat /proc/1/maps，也可以查看进程的内存使用情况

glances 命令

• 跨平台的监控工具，其监控计算机的性能信息，可以理解为远程版本的top工具

内建命令

• b : 以Byte为单位显示网卡数据速率

• d : 关闭磁盘IO模块

• m : 关闭mount模块

• n : 关闭network模块

• t # : 刷新时间间隔

• 1 : 每个CPU的统计数据单独显示

• -o {html | csv} : 以指定格式输出

• -f /path/DIR : 设定输出文件的位置

    glances -o HTML -f /root/ : 指定以html格式输出到root目录下
  

glances的C/S模式

• 服务端：

    glances -s -B IPADDR # ipaddr指本机的某地址，用于监听，-s表示为服务端，-B表示指定哪个IP地址
  

• 客户端：

    glances -c IPADDR # -c表示为一个client，IPADDR为服务端的IP地址
  

kill命令

kill - kill - terminate a process

• synosis: kill -l

  • 信号标识方法有三种：
    • 信号的数字标识
    • 信号的完整名称
    • 信号的简写名称

• synopsis: kill [-s signal|-p] [-q sigval] [-a] [--] pid...

常用信号

• 1. SIGHUP:无须关闭进程而让其重新读取配置文件
• 2. SIGINT: interrupts之义，终止正在运行的进程

• 9）SIGKILL : 杀死运行中的进程（直接退出）

• 15）SIGTERM : 终止正在运行的进程（让其保存好数据再退出）

• 18）SIGCONT : 继续

• 19）SIGTOP : 停止

    kill -1 2219 # 让此进程重读配置文件
    kill -sigkill 2219 
  

调整进程优先级

• 可通过nice命令调整进程的优先级，优先级的范围为100-139,分别对应 -20,19的阀值，进程启动时nice值为0，其对应的优先级为120,nice数值越小优先级越高

nice命令

nice - run a program with modified scheduling priority

nice [option] [COMMAND][ARGU….]

• [options]

  • -n NICE : 指定nice值

      nice -n -5 htop #为115优先级启动htop
      
      注意：nice值只有管理员可调
    

renic命令

renice - alter priority of running processes

renice [-n] NICE PID

• [options]

  • -n NICE : 指定NICE值

      renice -n -3 5207 : 调整进程PID为5207的nice值为-3 
    

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Linux上的作业控制

作业的分类

• 前台作业（foregroud）

  • 通过终端启动，且启动后会一直占据终端

• 后台作业（backgroud）

  • 可以通过终端启动，但启动后立即转入后台运行

如果将作业运行于后台

• ctrl + z
  • 此方法会将作业转为停止状态
• COMMAND &
  • 此类作业立即送到后台，也会有终端相关，如果终端停止了，作业也会被停止
• nohup COMMAND &
  • 此类作业立即送到后台，脱离终端

显示当前系统上的所有作业

jobs 命令

    root@zhenping ~]# jobs
    [1]-  已停止               vim a.sh
    [2]+  已停止               ping 202.96.209.5

将作业从后台调回到前台

• fg 命令
  • fg [[%]] JOB_NUM]]

    • %:表示这是一个作业号

    • JOB_NUM : 作业号码

        fg 1 # 把1号作业调回到前台
      

将后台作业从停止状态变成运行状态

• bg命令

  • bg [[%]] JOB_NUM]]

      [root@zhenping ~]# bg 3  #3号作业从停止转运行状态
      [3]+ ping 202.69.209.5 &
    

结束作业

• kill命令

  • kill %job_NUM

      [root@zhenping ~]# kill %2 #结束2号作业