Linux進程管理

一、程序與進程      

    1、程序

        程序是為了達到特定的目的，可以被計算機運行并且由命令代碼組成的語句序列。

        程序由指令和數據組成。

        指令：用于調度CPU工作，使CPU可以處理所需要的數據。

    2、進程

        進程是指運行中的程序。

    3、程序的工作模式

        所有對于硬件的操作用戶都無權訪問，如果用戶運行的程序需要訪問硬件時，需要進行系統調用，通過內核來完成對硬件的操作，此時程序將由用戶模式轉入內核模式。比如：我們想在目錄中新建一個文件夾，因為要對磁盤進行寫操作，當使用mkdir命令時，就會進行系統調用由內核來完成此操作后再將結果返回給用戶。                   CPU在其內部的不同區域完成不同的功能：ring0分配給內核（kernel），ring3分配給用戶程序（user program）。

二、Linux的多用戶，多任務環境

    1、內存的分配

        Linux對內存采用分段、分頁的機制。    

        物理內存每4k劃分成一個頁框；頁框為物理內存的最小單位。

        應用程序運行在自己的地址空間內，這個地址空間稱為線性地址空間，所有數據在線性地址空間內部表現為頁面的形式存放，而不是分頁的數據無法交換至swap空間。

        進程訪問數據是從線性地址訪問，內核將線性地址轉換成物理地址，使得進程得以訪問到數據。

        線性地址與物理地址的對應關系存放在一張表中，這引表在MMU（Memory Management Unit）中進行維護。

        內核借助MMU來使得各個進程使用內核時好像是獨立的狀態；MMU完成線性地址到物理地址的轉換。

        內核精心編造了一個數據結構，假如內存如果有4G的話，1G分配給內核使用，3G分配給進程使用；這個數據結構使用得每個進程都認為自己獨占3G內存。

     2、進程調度

        調度就是挑選進程到CPU中運行的過程。

        進程調度采用的O(1)的算法復雜度，即時間恒定的算法。

        CFS：完全公平調度器

    3、進程的分類

        CPU-Bound（CPU密集型）：對于CPU占用率高的進程。

        I/O-Bound（I/O密集型）：等待I/O時間長的進程

    4、進程優先級

        CPU挑選進程是根據進程的優先級進行的，進程優先級的取值范圍為0-139。

        實時優先級：0-99，數字越大，優先級越高；

        靜態優先級：100-139，數字越小，優先級越高。

        用戶可以通過調整nice值來改變進程的優先級。

            nice值：-20-19 調整靜態優先級

            進程啟動時，默認nice值為0，優先級對應為120。

        動態優先級：由內核維護，動態調整。

        Linux使用搶占式多任務：當時鐘信號到達時，高優先級進程可以搶占CPU。

    5、進程狀態

        運行態：runnnig

        睡眠態：sleeping

            可中斷睡眠：interruptable

            不可中斷睡眠：uninterruptable，等待外部條件滿足之前無法繼續運行。       

        停止態：stopped，不會再被內核調度并運行。

        僵死態：zombie，父進程先于子進程結束了，子進程再也不能被停掉的進程。

    6、子進程  

        進程運行是單線運行的，進程中的指令必須順序執行。             

        子進程：父進程有無法完成的任務時，啟用子進程來執行，此時父進程進入睡眠，子進程執行完成后，返回父進程繼續執行。

        進程創建機制：每一個進程都是由其父進程fork()自身而來。

    7、進程間通信（IPC：Inter Process Communication）

        同一主機：

            singnal：信號。

            shm：共享內存。

            semerphor：旗語。

        不同主機：

            rpc：remote procedure calling，遠程過程調用。

            socket：IP:port，套接字。

    8、CPU虛擬化

        就是將CPU切割為時間片（timeslice）。

        保存現場：將未執行完成進程狀態保存在狀態表中。

        恢復現場：將狀態表中未執行完的進程調出繼續執行。

    9、線程

        線程是比進程更小的可以被單獨調度的單位。

        線程將進程的任務指令拆分，分配到不同的CPU上同時運行。

        不過Linux中的進程都是輕量級進程，已經相當于線程的級別了。

三、Linux進程管理工具

    1、查看進程樹：pstree

    2、顯示進程狀態：ps

        ps命令的選項參數有很多，下面只介紹常用的選項。

        因為開源的原因，ps的也存在眾多的版本，CentOS6的ps命令支持兩種風格：SysV和BSD

            SysV：一般帶“-”

            BSD：不帶“-”

        選項：

            a：與終端相關的進程；

            x：與終端無關的進程；

            u：顯示用戶。

        組合選項：aux

        上圖中各字段的含義如下：

            USER：進程的發起者；

            PID：進程的PID；

            %CPU：CPU的占用率；

            %MEM：內存的占用率；

            VSZ：Virtual memory size，虛擬內存空間大小（線性地址空間大?。?；

            RSS：常駐內存集；不能被交換到swap空間中的所有數據；

            TTY：終端；

            STAT：進程狀態， 包括：

                R：running；

                S：可中斷眨睡眠；

                D：不可中斷睡眠；

                T：Stopped；

                Z：Zombie；

                s：session leader；

                t：前臺進程；

                l：多線程進程；

                N：低優先級進程；

                L：高優先級進程。

            COMMAND：包含在方括號中的進程表示為內核線程。

        組合選項： -ef

              -e：顯示所有進程；

              -f：顯示完整格式的信息。

        組合選項：-eFH

              -F：顯示額外信息；

              -H：顯示進程的層次結構。

            -o：自定義要顯示的信息。

                ni：nice值；

                pri：優先級；

                psr：運行的CPU。

    3、顯示指定進程的進程號：pgrep

        常用選項：

              -u USERNAME：僅顯示由指定用戶啟動的進程；

              -U UID：僅顯示由指定用戶啟動的進程；

              -G GID：僅顯示由指定組啟動的進程；

              -t terminal：僅顯示指定終端相關的進程；

              -l：同時顯示進程號和程序名。

    4、顯示指定命令所啟動的進程的ID：pidof

    5、實時監控進程：top

        直接輸入top命令，出現以下界面：

        可以在上面的界面中直接使用命令來對顯示內容進行控制：

            M：根據內存百分比進行降序排序，對應的列為%MEM；

            P：根據CPU百分比進行降序排序，對應的列為%CPU；

            T：根據累積占用的CPU時間降序排序，對應的列為TIME+；

            l：顯示或不顯示負載信息，即上圖中第一行的內容，如下圖所示：

            這一行的內容表示：

                10:32:08：當前系統時間；

                up 18:42：服務器連續運行的時長為18小時42分鐘；

                4 users：當前登錄系統的用戶數；

                load average：過去1分鐘、5分鐘、15分鐘的平均負載

            t：顯示或不顯示進程及CPU相關的信息，如下圖所示：

                上圖為不顯示進程及CPU信息的結果。              

            1：數字，分別顯示各CPU的相關信息；

            使用數字1可以查看不同的CPU的信息，下面說明各字段具體的含義：                     

                us：user space，用戶運行程序時間百分比；

                sy：system，用于運行內核所占用CPU的百分比；

                ni：nice，用戶進程空間內改變過優先級的進程占用CPU百分比；

                id：idle，空閑CPU百分比；

                wa：wait io，等待IO花費的時間；

                hi：hardware interrupt，硬中斷占用CPU的百分比；

                si：software interrupt，軟中斷占用CPU的百分比；

                st：stolen，偷走的時間百分比。

            m：顯示或不顯示物理內存和交換內存信息,如下圖所示：

            各字段含義如下：

                Mem：物理內存；

                Swap：交換分區； 

                buffers：緩沖區，用于減少進程之間的等待時間；

                cache：CPU與內存之間的高速緩存，用于減少CPU的等時間。                           

            k：終止指定進程；

           s：修改刷新時間間隔；

            q：退出。

        常用選項：

            -d #：指定刷新時間間隔；   

            -b：以批次的方式顯示top刷新；

            -n #：顯示的批次；

            -p PID：監控指定進程。

            查看指定進程：

    6、顯示虛擬內存統計信息：vmstat

        各字段含義如下：       

            procs：

                r：運行隊列的長度；

                b：被阻塞（等待IO完成）隊列的長度。

            memory：

                swpd：從物理內存交換至swap中的數據量；

                free：空閑物理內存；

                buffer：緩沖，與寫相關，加速寫操作；

                cache：緩存，與讀相關，加速讀操作。

            swap：

                si：swap in，數據進入swap中的數據速率，單位kb/s；

                so：swap out，數據離開swap中的數據速率。

            io：

                bi：block in，從塊設備讀入的數據速率，單位kb/s；

                bo：block out，保存至塊設備的數據速率。

            system：

                in：interrupt，中斷速率；

                cs：context switch，進程切換速率。

            CPU：

                各字段含義與top中所表示的含義相同，此處不再贅述。

        常用選項：

            -s：顯示內存統計數據。

    7、系統資源統計工具：dstat

        命令選項：       

            -c：查看cpu的統計數據

            -d：顯示磁盤的統計數據；

            -D DISK：只顯示指定disk的統計數據；

            -g：顯示page的統計數據；

            -i：顯示中斷的統計數據；

            -m：顯示內存的統計數據；

            -l：顯示系統負載的統計數據；

            -n：顯示網絡接口相關統計數據；

            -N INTERFACE：顯示指定網絡接口的統計數據；

            -s：顯示交換內存統計數據；

            –ipc：顯示ipc消息隊列、信息和共享內存的使用狀況；

            -y：顯示系統狀態數據；

            -cdngy：相當于不帶參數的dstat，也相當于-a

            -t：顯示時間；

        網絡連接狀態統計：

            –tcp：顯示tcp的個數及狀態；

            –udp：顯示udp的個數及狀態；

            –unix：本地通信時unix文件的個數；

            –raw：raw sockets；

            -f：以完整格式顯示所有信息

            -v：類似于vmstat命令；

        命令用法比較簡單，就不做過多的演示了。

四、調整nice值

    只有管理員可以使用小于0的nice值，普通用戶調整nice值時只能增加，即只能把優先級調低。

    1、直接啟動一個進程，并指定其nice值：

    2、調整已運行的進程nice值

五、進程間通信

    1、顯示常用信號：kill -l 

    2、查看各個信號的作用：man 7 signal

    3、信號的調用方式

        每個信號都可以使用三種方式之一在kill中進行調用：

            1）數字代稱：1，2，9，15；

            2）信號完整名稱：SIGHIP,SIGINT,SIGKILL,SIGTERM；

            3）信號簡稱：HUP,INT,KILL,TERM；

        常用信號的含義：

            1) SIGHUP：讓程序重讀配置文件，而無需重啟程序；

            2) SIGINT：interrupt，相當于ctrl+c，打斷正在運行中的前臺程序；

            9) SIGKILL：強制終止進程；

            15) SIGTERM：正常終止進程，默認選項。

    4、信號調用的格式       

        1、kill [-SIGNAL] PID

        終止所有httpd的進程。

    2、killall [-SIGNAL] COMMAND

五、Linux作業控制

    前臺作業：通過終端啟動，并在終止之前一直占據著終端；

    后臺作業：作業啟動之后即運行于后臺，釋放前臺；

    交互式模式：手動啟動的非守護進程類的程序，一般都運行于前臺。

    將作業運行于后臺：

        1、將運行中的作業送往后臺

            Ctrl+z：將作業送往后臺，并處于停止狀態。

        2、將尚未啟動的作業直接在后臺運行

            COMMAND &

            這種手動方式控制的作業與終端相關，如果正在運行作業的終端被退出了，作業會被終止；如果想要在終端退出后作業依然在后臺運行，則需要使用下面的命令：

            nohup COMMAND &

    查看當前正在運行的作業：

    三個字段從左至右分別代表：作業號、作業狀態、作業命令。

    作業控制命令：

        fg [[%]jobnum]]：將指定的作業調回前臺；

        bg [[%]jobnum]]：讓送往后臺的作業在后臺繼續運行；

        kill %jobnum：終止指定的作業。