Linux 进程管理

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Program 是一个静态实体，只是存储在操作系统中的文件（集合）

Process 是操作系统上的活动（Active）实体，是 Program 由操作系统加载到内存并运行之后的实体。

Process 运行过程中需要操作系统为其分配各种资源，如 CPU、Memory、Files、IO 等来完成其运行。

如果一个 Program 被操作系统运行（启动）了多次，那么其产生的多个 Process 属于分割（单独）的实体。

Linux 系统中调度的进程/线程，通常被称为任务（Task）

Linux 中常见的进程状态如下表：

状态标识 状态名称 状态说明 示例
R task_running 进程处于运行或就绪状态
S task_interruptible
sleeping		 可中断的睡眠状态
D task_uninterruptible 不可中断的睡眠状态
1. 它是一种睡眠状态，意味着处于此状态的进程不会消耗 CPU
2. 睡眠的原因是等待某些资源（比如锁或者磁盘 IO），这也是非常多 D 状态的进程都处在处理 IO 操作的原因
3. 是它不能被中断，这个要区别于 硬件中断 的中断，是指不希望在其获取到资源或者超时前被终止。因此他不会被信号唤醒，也就不会响应 kill -9 这类信号。这也是它跟 S（可中断睡眠）状态的区别
T task_stopped
task_traced
Traced		 暂停状态或跟踪状态
Z task_dead
exit_zombie
zombie		 退出状态，进程成为僵尸进程
X task_dead
exit_dead		 退出状态，进程即将被销毁
I idle 空闲状态
+ 表示关联了前台操作（Foreground Operation），比如前台运行的进程

进程调度

Linux 中任务（Task）调度算法默认使用 CFS（Completely Fair Scheduler，内核版本 >= 2.6.23）.

CFS 调度算法没有使用固定的进程（此处的进程可能是进程或者线程，Linux 中统称为 Task）优先级（Priority），而是根据进程的 nice value 为进程分配一定比例的（Proportional） CPU 计算时间。 [1]

nice 的取值从 -20 - +19，值越小，优先级越高，默认值为 0 。优先级高的进程会被分配到更高比例的 CPU 处理时间。

在 Linux 内核中，优先级分为两种：静态优先级和动态优先级。CFS 使用的是动态优先级，它是根据 nice 值计算出来的。

CFS Scheduler 不会直接设定 Priorities，而是为每个 Task 维护变量 vruntime（virtual runtime）（可以检查系统 /proc/<PID>/sched），这个值记录了每个 task 使用了多少 CPU 时间。

CFS 通过将进程的虚拟运行时间（vruntime）与其他进程的虚拟运行时间进行比较来决定调度优先级。权重越大，vruntime 增长越慢，意味着进程的优先级越高，能够更频繁地被调度。

假入一个任务有默认的 Priority（nice=0），那么他的 vruntime 和实际使用的 CPU 时间相同。例如一个 nice=0 的进程使用了 CPU 200ms，那么他的 vruntime=200ms。低优先级（low priority，nice>0） 的任务在 CPU 上运行了 200ms，那么他的 vruntime>200ms，相反的，一个 高优先级（high priority,nice<0） 的任务在 CPU 上运行了 200ms，那么他的 vruntime<200ms。基于此，CFS Scheduler 在选择下一个要执行的任务时，会选择 vruntime 最小的任务来运行。如果有高优先级的任务就绪（可执行），它会抢占（preemptive）正在执行的低优先级的任务。

假如 Linux 中有 2 个优先级一样的任务（nice=0），一个进程为 I/O-bound，另一个为 CPU-bound。通常情况下，在一个 CPU 周期内，I/O-bound 的任务会使用很少的 CPU 时间就会因等待 IO 而中断在 CPU 上的执行并进入 CPU 的等待调度队列（schedule queue），而 CPU-bound 的任务会用尽分配给它的整个 CPU 周期。执行一段时间之后， I/O-bound 的任务的 vruntime 的值会显著的小于 CPU-bound 的任务的 vruntime，导致 I/O-bound 的任务拥有比 CPU-bound 的任务更高的优先级，当 I/O-bound 的任务就绪（IO 返回数据）时，它会立即抢占 CPU 开始执行。

nice 只能针对单一的进程调整优先级，无法同时将优先级配置关联到相关进程，如 子进程或者同一个服务中的其他进程

修改 nice 的值

在 Linux 中，nice 值用于调整进程的优先级，数值范围从 -20（ 最高优先级 ）到 19（ 最低优先级 ）。较低的 nice 值表示进程有更高的优先级，会更频繁地获得 CPU 时间，而较高的 nice 值表示进程有较低的优先级。

你可以使用 nice 和 renice 命令来修改进程的 nice 值

普通用户（root 之外的用户）启动应用程序时默认只能配置初始 nice 值 0-19

普通用户（root 之外的用户）修改正在运行的应用程序的 nice 值，只能改大，不能改小。比如进程启动时，其 nice 为 10，拥有权限的普通用户只能将其 nice 值改为大于 10 的值。

nice 命令

nice 命令用于在启动进程时指定 nice 值 。如果不指定，默认 nice 值为 0。

nice -n 10 command

renice 命令

renice 命令可以修改已经在运行的进程的 nice 值。需要提供进程 ID（ PID ）来指定要修改的进程。

renice <nice_value> -p <PID>

如果想要一次修改多个进程的 nice 值，可以传递多个 PID：

sudo renice 10 -p 1234 2345 3456

Linux 进程资源控制 cgroups

cgroups 可以将一个任务（task）标识（绑定）到一个特殊的 控制组（Control Group） ，此任务启动的子进程可以继承父进程的 控制组（Control Group）

控制组（Control Group） 可以限制的资源类型如下：

Type Description
blkio Storage
限制到存储设备（如 Hard Disk、USB Drivers等）的请求
cpu CPU
限制 CPU 调度
cpuacct Process Accounting
上报 CPU 使用状态，可以用于统计客户端使用的处理量并进行收费
cpuset CPU Assignment
在多处理器的系统上，将 Task 分配到特定的处理器以及关联的内存
devices Device Access
限制 控制组（Control Group） 中的 Task 对目标设备类型的使用
freezer Suspend/Resume
暂停/恢复 控制组（Control Group） 中的 Task
memory Memory Usage
限制并报告 控制组（Control Group） 中的 Task 使用的内存
net_cls Network Bandwidth
制并报告 控制组（Control Group） 中的 Task 使用的网络流量，主要通过对网络流量打上 cgroups 相关标签实现
net_prio Network Traffic
控制 控制组（Control Group） 中的网络流量的优先级
ns Namespaces
将 cgroups 分配到不同的 Namespaces，如此同一个 cgroups 中的进程只能看到本 Namespace 中的进程

Linux 进程管理

进程命令名和进程可执行文件名

在系统中遇到以下进程：

# ps -elf | grep 18686
5 S root     18686  1239  0  80   0 - 46620 pipe_w 15:50 ?        00:00:00 /usr/sbin/CROND -n
0 R root     18694 18686  7  80   0 - 610547 -     15:50 ?        00:00:02 /usr/local/php73/bin/php /home/www/admin/artisan PullData
0 S root     18754 18686  0  80   0 - 22453 pipe_w 15:50 ?        00:00:00 /usr/sbin/sendmail -FCronDaemon -i -odi -oem -oi -t -f root

其中 PID 为 18686 的进程名为 /usr/sbin/CROND，其启动了另外两个子进程。但是在系统中检查，并不存在路径 /usr/sbin/CROND

# ls -l /usr/sbin/CROND
ls: cannot access /usr/sbin/CROND: No such file or directory

出现此种现象，主要是因为 在启动时，进程的命令名是根据路径传递给 execve() 函数的参数决定的，而不是直接与系统中的文件进行匹配。

在 Linux 系统中，ps 命令显示的进程信息是从 /proc 文件系统中获取的，而 /proc 文件系统包含有关正在运行的进程的信息，包括每个进程的命令名。因此，即使实际上系统中不存在 /usr/sbin/CROND 文件，但如果进程的命令名是 /usr/sbin/CROND，那么 ps 命令仍然会显示进程的命令名为 /usr/sbin/CROND。

进程的命令名可以查看 /proc/<PID>/cmdline 文件，本示例中显示如下：

# cat /proc/18686/cmdline 
/usr/sbin/CROND-n

对应的系统上的可执行文件的名称可以查看 /proc/<PID>/stat、/proc/<PID>/comm、/proc/<PID>/status 等文件

# cat /proc/900/comm 
crond

# cat /proc/900/status 
Name:	crond
Umask:	0022
State:	S (sleeping)
Tgid:	900
Ngid:	0
Pid:	900
PPid:	1239
TracerPid:	0

# cat /proc/900/stat
900 (crond) S 1239 1239 1239 0 -1 4202816 1627 0 0 0 0 0 0 0 20 0 1 0 139129633 190955520 1478 18446744073709551615 94685936058368 94685936118156 140733000396032 140733000262488 140427856103840 0 0 4096 16387 18446744071797306256 0 0 17 3 0 0 0 0 0 94685938219080 94685938221648 94685948321792 140733000400770 140733000400789 140733000400789 140733000400872 0

在本示例中，实际执行的命令为 crond

进程状态检查

top 命令

使用 top 命令可以查看系统负载、CPU 和 内存使用情况。也可以查看单个进程的具体信息。

htop 是 top 命令的一个变种，它提供了更多的交互性、定制性以及其他一些功能，但是它同时使用了相比 top 更多的资源（4 倍多的 syscalls）

top 命令常用选项

选项 说明 示例
-H Threads Mode，线程模式。默认情况 top 展示进程的简要信息，使用此选项显示进程中的线程状态。
对应交互式命令 H

top 常用交互命令

命令 说明
P CPU Utilization 排序，默认排序方式
M Memory Utilization 排序
I Irix/Solaris-Mode 切换。
默认为 Itrix Mode,在这种模式下，如果某个进程使用了系统中的 2 个 CPU 的所有计算资源，则其 CPU 使用率展示为 200%，依此类推。
在 Solaris Mode 下，进程的 CPU 使用率是整体 CPU 使用的资源除于 CPU 数。如在 4 CPU 的系统中，Itrix 模式下，进程 CPU 使用率为 200%，在 Solaris 模式下，则为 50%
  • 显示单个进程的（线程）详细信息 
    # top -H -p 1423
    top - 09:44:42 up 54 days, 23:53,  2 users,  load average: 8.82, 6.84, 7.21
    Threads:  15 total,   0 running,  15 sleeping,   0 stopped,   0 zombie
    %Cpu(s): 40.9 us, 10.8 sy,  0.0 ni, 48.1 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.2 si,  0.0 st
    KiB Mem : 15790488 total,   466056 free,  7761544 used,  7562888 buff/cache
    KiB Swap:        0 total,        0 free,        0 used.  3895716 avail Mem 

      PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S %CPU %MEM     TIME+ COMMAND                                                                                  
     1423 root      20   0 1477368 778788   4260 S 39.5  4.9  11999:41 [watchdog:1:6]                                                                           
     2572 root      20   0 1477368 778788   4260 S 37.9  4.9  11363:48 [watchdog:1:6]                                                                           
     1436 root      20   0 1477368 778788   4260 S 34.2  4.9  11286:08 [watchdog:1:6]                                                                           
     1435 root      20   0 1477368 778788   4260 S 33.9  4.9  12059:53 [watchdog:1:6]                                                                           
     1434 root      20   0 1477368 778788   4260 S 33.2  4.9  10249:00 [watchdog:1:6]                                                                           
     1437 root      20   0 1477368 778788   4260 S 30.6  4.9  11717:47 [watchdog:1:6]                                                                           
     1431 root      20   0 1477368 778788   4260 S 28.9  4.9  11222:06 [watchdog:1:6]                                                                           
    21378 root      20   0 1477368 778788   4260 S 27.6  4.9  12143:35 [watchdog:1:6]                                                                           
     1433 root      20   0 1477368 778788   4260 S 17.6  4.9   8738:21 [watchdog:1:6]                                                                           
     1428 root      20   0 1477368 778788   4260 S  8.0  4.9   7650:56 [watchdog:1:6]                                                                           
     1429 root      20   0 1477368 778788   4260 S  0.0  4.9   0:00.04 [watchdog:1:6]                                                                           
     1430 root      20   0 1477368 778788   4260 S  0.0  4.9   0:00.05 [watchdog:1:6]                                                                           
     1432 root      20   0 1477368 778788   4260 S  0.0  4.9   0:00.03 [watchdog:1:6]                                                                           
     1438 root      20   0 1477368 778788   4260 S  0.0  4.9  12260:30 [watchdog:1:6]                                                                           
     1529 root      20   0 1477368 778788   4260 S  0.0  4.9  11068:39 [watchdog:1:6]

pidstat

pidstat 命令用于检查 Linux 内核管理的进程的状态。帮助文档请查看 man pidstat。要查看特定的进程的信息，使用 -p [PID|ALL] 选项，查看子进程相关信息，参考 -T [TASK | CHILD | ALL] 选项

命令常用选项

选项 说明 示例
-d 报告 I/O statistics
-C comm 查看 command name 的详细信息， comm 可以是正则表达式 pidstat -C chrome -T CHILD 1 10
-p { pid[,...] / SELF / ALL } 查看指定的 PID 或者所有（ALL） 进程的统计信息，不指定默认使用 -p ALL
-e program args 使用指定的 args 运行 program 并使用 pidstat 监控其统计数据
-l 在统计输出中，包含详细的命令及其参数
-r 统计进程的 faults 和 Memory 使用情况
-T { TASK / CHILD / ALL }
-t		 查看子进程相关统计信息
-u CPU 使用率
-w 统计进程上下文切换（Context Switch）信息

查看指定的 PID 以及关联的子进程的统计信息

# pidstat -t -p 22737 1 1
Linux 3.10.0-1160.49.1.el7.x86_64 (ecs-34a8) 	11/26/2024 	_x86_64_	(2 CPU)

04:04:52 PM   UID      TGID       TID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command
04:04:53 PM     0     22737         -    0.00    0.00    0.00    0.00     0  python3
04:04:53 PM     0         -     22737    0.00    0.00    0.00    0.00     0  |__python3
04:04:53 PM     0         -     22805    0.00    0.00    0.00    0.00     1  |__python3
04:04:53 PM     0         -     22806    0.00    0.00    0.00    0.00     0  |__python3
04:04:53 PM     0         -     22807    0.00    0.00    0.00    0.00     1  |__python3
04:04:53 PM     0         -     22808    0.00    0.00    0.00    0.00     0  |__python3
04:04:53 PM     0         -     22809    0.00    0.00    0.00    0.00     0  |__python3
04:04:53 PM     0         -     22810    0.00    0.00    0.00    0.00     1  |__python3

Average:      UID      TGID       TID    %usr %system  %guest    %CPU   CPU  Command
Average:        0     22737         -    0.00    0.00    0.00    0.00     -  python3
Average:        0         -     22737    0.00    0.00    0.00    0.00     -  |__python3
Average:        0         -     22759    0.00    0.00    0.00    0.00     -  |__python3
Average:        0         -     22806    0.00    0.00    0.00    0.00     -  |__python3
Average:        0         -     22807    0.00    0.00    0.00    0.00     -  |__python3
Average:        0         -     22808    0.00    0.00    0.00    0.00     -  |__python3
Average:        0         -     22809    0.00    0.00    0.00    0.00     -  |__python3
Average:        0         -     22810    0.00    0.00    0.00    0.00     -  |__python3

查看进程使用的内存以及 faults 统计信息

# pidstat -r | more
Linux 6.8.0-1017-aws (U-3TSDMAL9IVFAQ) 	11/26/2024 	_x86_64_	(4 CPU)

03:17:25 PM   UID       PID  minflt/s  majflt/s     VSZ     RSS   %MEM  Command
03:17:25 PM     0         1      0.97      0.00  168668   13552   0.08  systemd
03:17:25 PM     0       147      1.85      0.00  228472  158232   0.98  systemd-journal
03:17:25 PM     0       189      0.00      0.00  289100   27392   0.17  multipathd
03:17:25 PM     0       199      0.00      0.00   12160    6376   0.04  systemd-udevd
03:17:25 PM   118       512      0.00      0.00   14624    6400   0.04  systemd-oomd
03:17:25 PM   100       551      0.00      0.00   16044    7296   0.05  systemd-network
03:17:25 PM   101       553      0.00      0.00   26512   10240   0.06  systemd-resolve
03:17:25 PM     0       643      0.00      0.00    2816    1920   0.01  acpid
03:17:25 PM   123       644      0.00      0.00   19088    3840   0.02  avahi-daemon
03:17:25 PM   102       645      0.00      0.00   31628    7436   0.05  dbus-daemon
03:17:25 PM     0       646      0.00      0.00  278416   14852   0.09  NetworkManager
03:17:25 PM     0       649      0.01      0.00  757540   17788   0.11  euc-analytics-a
03:17:25 PM     0       653      0.00      0.00   82768    3840   0.02  irqbalance
03:17:25 PM     0       656      0.00      0.00   48880   10368   0.06  networkd-dispat

查看进程使用的 CPU 统计信息

# pidstat -u -l | more
Linux 6.8.0-1017-aws (U-3TSDMAL9IVFAQ) 	11/26/2024 	_x86_64_	(4 CPU)

04:08:08 PM   UID       PID    %usr %system  %guest   %wait    %CPU   CPU  Command
04:08:08 PM     0         1    0.04    0.02    0.00    0.02    0.06     1  /sbin/init
04:08:08 PM     0         2    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00     0  kthreadd
04:08:08 PM     0        15    0.00    0.00    0.00    0.01    0.00     0  ksoftirqd/0
04:08:08 PM     0        49    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00     2  khugepaged
04:08:08 PM     0        63    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00     3  kworker/3:1H-kblockd
04:08:08 PM     0        64    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00     3  kswapd0
04:08:08 PM     0        75    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00     2  kworker/2:1H-kblockd
04:08:08 PM     0       100    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00     0  jbd2/nvme0n1p1-8
04:08:08 PM     0       102    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00     1  kworker/1:1H-kblockd
04:08:08 PM     0       129    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00     0  kworker/0:1H-kblockd
04:08:08 PM     0       147    0.00    0.00    0.00    0.00    0.01     3  /lib/systemd/systemd-journald
04:08:08 PM     0       189    0.00    0.00    0.00    0.00    0.01     3  /sbin/multipathd -d -s
04:08:08 PM     0       199    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00     3  /lib/systemd/systemd-udevd
04:08:08 PM     0       382    0.00    0.00    0.00    0.00    0.00     2  jbd2/nvme1n1p1-8
04:08:08 PM   118       512    0.05    0.05    0.00    0.00    0.10     3  /lib/systemd/systemd-oom
d

在使用 pidstat 时如果未指定统计数据的采样间隔及采样次数，则 默认统计的是从系统启动以来的平均资源使用率，如果目标进程的运行时间相对于系统启动时间很短（例如仅几分钟），那么它的平均 CPU 使用率会趋近于 0 。比如以下示例：

未指定采样间隔及采样次数 ，统计结果显示进程的 CPU 使用率为 0

# pidstat  | grep gzip
01:37:06 PM     0       784    0.00    0.00    0.00    0.00     4  gzip

以下命令指定采样间隔和采样次数 ，统计结果显示 CPU 使用率较高

# pidstat 1 1 | grep gzip
01:37:14 PM     0      1974   15.69    1.96    0.00   87.65     7  gzip
Average:        0      1974   15.69    1.96    0.00   87.65     -  gzip

参考链接|Bibliography

Operating System Concepts v10 Online
Linux进程状态说明

脚注

  1. 1.Operating System Concepts v10 Online 5.7.1 Example: Linux Scheduling ↩