Linux内核之进程管理

一、Linux进程管理基础

1.1 进程的概念

　　进程：处于执行期的程序已经相关资源的总称。相关资源如：打开的文件、挂起的信号、内核内部数据、处理器状态等。

1.2 线程

　　线程是执行线程的简称，是在进程中活动的对象。每个线程都拥有独立的计数器、进程栈、和一组进程寄存器。在Linux系统中，内核调度的是线程，而不是进程，Linux系统的线程和进程不做特别区分，对Linux而言，线程不过是一种特殊的进程。
　　现代操作系统中，进程提供两种虚拟机制：虚拟内存和虚拟处理器。线程（这里指同一个进程的线程）之间可以共享虚拟内存，但每个线程都拥有各自的虚拟处理器。

1.3 进程创建过程

　　父进程调用fork()，产生新的进程——子进程。fork()函数通过复制一个现有进程来创建一个全新的子进程。 fork()系统调用从内核返回两次：第一次是回到父进程；另一次回到新产生的子进程。
　　创建后，调用exec()函数就可以创建新的地址空间，并把新的程序载入到这个地址空间中去。
　　最后，程序通过调用exit()函数退出执行

1.4 进程描述符

　　内核将进程放在任务队列中，这个任务队列实际上是一个双向链表；链表中的每个项（实际上就是任务/进程）都是类型为task_struct(被称为进程描述符）的结构。
　　进程描述符是一个结构体，包含打开的文件、进程地址空间、PID、挂起的信号、进程的状态等信息。
　　内核通过PID来标识每个进程，PID实际上是一个int类型的数，默认最大值为32768。这个值实际上限定了系统进程的最大数目。对于一个大型服务器来说，可能需要运行更多的进程，这时候可以通过修改内核参数来改变这个值。该参数存放在/proc/sys/kernel/pid_max 文件中，可以通过sysctl命令或者/etc/sysctl.cond文件来修改这一参数。
　　在内核中，访问任务（进程）通常需要获得指向该任务的task_struct指针。实际上内核中大部分处理进程的代码都是直接通过task_struct进行的，这个过程中，通过current宏查找当前正在运行进程的进程描述符的速度是十分重要的。

1.5 进程的5种状态状态

　　进程描述符中的state域描述了进程的当前状态。state的域的值必为下面5种中的一种。

• TASK-RUNNING（Ｒ）
  　　运行。进程正在运行
• TASK_INTERRUPTIBLE（S）
  　　可中断。进程处于阻塞状态。
• TASK_UNINTERRUPUTIBLE（D）
  　　不可中断。基本上与可中断一致，但是，处于该状态下的进程，就算是接收到信号也不会被唤醒或者开始运行。这一特性十分重要，当我们执行ps或者top命令的时候，看到了一些状态为D的进程，当我们尝试kill这些进程的时候，发现这种进程并不能被杀死。因为这些进程是不会相响应任何信号的。
• _TASK_TRACED（T）
  　　被其他进程跟踪的进程。例如通过ptrace对调试程序进行跟踪。
• _TASK_STOPPED（T）
  　　停止。进程停止运行。这种进程既没有运行也不会投入运行

备注：在如ps，top等进程管理命令中，_TASK_TRACED和_TASK_STOPPED状态码同为T。在ps和top等命令中*还可以看到Z状态码，这表示的是僵尸进程。我在翻阅《Linux内核设计与实现》一书时，在进程描述符的state域中，书中并没有将僵尸进程单独列为一个状态。按我的理解，僵尸进程应该是状态转换失败而产生的不良结果，也是一种状态，但是没有在state域中表现。

• TASK_DEAD - EXIT_ZOMBIE（Z）
  　　僵尸进程。所谓僵尸进程就是父进程在子进程之前退出，正常情况，子进程必须要找到一个新的父进程作为父进程（如果没有就用init进程作为父进程）。但是，由于某些原因，子进程找不到新的父进程，成为了一个僵尸进程而处于僵死状态，是能白白消耗内存。工作环境中，发现Z进程，必须直接kill。以免拖垮系统

备注：以上的R,S,T,D,Z是上述状态的简写，在top和ps等命令中可以看到

1.6 进程上下文

　　CPU运行于两种工作模式，分别是：内核空间和用户空间。正是因为工作模式的不一样，才有了上下文这个概念。当一个程序通过系统调用或者触发了某个异常，这个程序就会陷入内核空间了。此时，由内核代表进程执行运行于内核空间并处于进程上下文中。我们知道，一个程序在运行的时候是需要很多变量的，如果变量不传入内核，当我的进程从用户空间陷入到内核空间后，这个程序就不完整啊，还怎么执行了？所以，用户空间的进程要将寄存器、参数等也传递给内核，内核也要将这些数据保存，以便系统调用结束后，程序回到用户空间继续执行。
　　说了这么多，那么什么是上下文呢？当一个进程在执行时,CPU的所有寄存器中的值、进程的状态以及堆栈中的内容被称为该进程的上下文。当内核需要切换到另一个进程时，它需要保存当前进程的所有状态，即保存当前进程的上下文，以便在再次执行该进程时，能够必得到切换时的状态执行下去
　　日常工作中，我们可以使用vmstat查看进程上下文切换带来的影响，看下这个切换是否影响了系统性能。vmstat的用户我将在后面的文章中说明。

1.7 进程上下文切换

　　上下文切换就是一个可执行进程切换到另一个可执行进程。切换过程中，需要做到虚拟内存从上一个进程映射到新的进程中；从上个进程的处理器状态切换到新进程的处理器状态，包括：保存、恢复栈信息和寄存器信息，还有其他任何与体系结构相关的状态信息，都必须以每个进程为对象进行管理和保存。

二、进程管理命令

• ps

ps -eo state,uid,pid,ppid,rtprio,time,comm

• pstree
• top
• htop
• kill
• killall
• vmstat
• nice
• renice
• ulimit
• ipcs

这些命令不在这里做详解，我会在Linux性能分析系列文章中提到。其实上面的vmstat不算是管理，但是可以使用vmstat查看进程的上下文切换，所以我也把他算在里面了，当然还有一些其他的命令我可能还不知道的….