> 主要介绍Linux进程相关知识 及部分命令参考 -- By Firsouler 2021.1.12

### 1.概述

Linux是一个多用户、多任务的系统，能同时运行多个程序，从而产生多个进程。Linux进程中，进程和线程没有什么区别。Linux中的进程是一个数据结构，如下：

```
struct task_struct {
    // 进程状态
    long              state;
    // 虚拟内存结构体
    struct mm_struct  *mm;
    // 进程号
    pid_t              pid;
    // 指向父进程的指针
    struct task_struct __rcu  *parent;
    // 子进程列表
    struct list_head        children;
    // 存放文件系统信息的指针
    struct fs_struct        *fs;
    // 一个数组，包含该进程打开的文件指针
    struct files_struct        *files;
};
```
简单来说，进程主要是：
- 每执行一个程序都称为一个进程，每一个进程都分配一个ID号。
- 每个进程都对应一个父进程，父进程可以复制多个子进程
- 每个进程有两种方式，前台和后台，前台指用户屏幕上可以操作，后台是实际操作
- 一般的系统服务都是后台进程方式存在，常驻系统中，直到关机结束。

进程主要有三种类型，用户进程(User Processes):用户账户活动、守护进程()Deamon processes)：后台程序和内核进程(Kernel Processes)

>内核进程仅在内核空间（kernel space）当中执行。内核进程与守护进程有些相似；它们之间主要的不同在于：内核进程对内核数据结构拥有完全的访问权限。此外，内核进程不如守护进程灵活：修改配置文件并触发重载即可修改守护进程的行为；但对于内核进程来说，修改行为则需要重新编译内核本身。
### 2.具体介绍
进程主要分为六种状态，分别是R/S/D/T/Z/X
#### 2.1.运行状态 -R
只有在该状态下，进程才能在CPU上运行，其他可执行进程需要排队（一个进程最多只能出现在一个cpu队列中，这也是进程调度器主要任务）。正在CPU执行的进程和可执行尚未被跳读执行的进程统一称为TASK__RUNNING状态

#### 2.2.可中断的睡眠状态-S
 该进程需要等某个事件（如信号量、socket连接等）而被挂起。这些进程的task_struct结构被放入对应事件的等待队列中。当这些事件发生时（由外部中断触发、或由其他进程触发），对应的等待队列中的一个或多个进程将被唤醒。
 
#### 2.3.不可中断进的睡眠状态 -D
 与task_interruptible状态类似，进程处于睡眠状态，但是此刻进程是不可中断的。不可中断，指的并不是CPU不响应外部硬件的中断，而是指进程不响应异步信号。该状态进程无法kill，除了等待，另一种办法是重启操作系统。
 
 >  处于uninterruptible sleep状态的进程通常是在等待IO，比如磁盘IO，网络IO，其他外设IO，如果进程正在等待的IO在较长的时间内都没有响应，那么就被ps看到了，同时也就意味着很有可能有IO出了问题，可能是外设本身出了故障，也可能是比如挂载的远程文件系统已经不可访问了.--当处于uninterruptibly sleep 状态时，只有当进程从system 调用返回时，才通知signal

#### 2.4.暂停状态或跟踪状态 -T

向进程发送一个sigstop信号，它就会因响应该信号而进入task_stopped状态。如果本身为不可中断的睡眠状态，就不相应。 如果发送sigcont信号，可以让进程从task_stoped状态恢复到task_running状态。

task_traced状态相当于在task_stopped之上多了一层保护，处于task_traced状态的进程不能响应sigcont信号而被唤醒。只能等到调试进程通过ptrace系统调用执行ptrace_cont、ptrace_detach等操作（通过ptrace系统调用的参数指定操作），或调试进程退出，被调试的进程才能恢复task_running状态。

>当进程正在被跟踪时，它处于task_traced这个特殊的状态。“正在被跟踪”指的是进程暂停下来，等待跟踪它的进程对它进行操作。比如在gdb中对被跟踪的进程下一个断点，进程在断点处停下来的时候就处于task_traced状态。而在其他时候，被跟踪的进程还是处于前面提到的那些状态

#### 2.5.僵尸进程

进程在退出的过程中，处于TASK_DEAD状态。在这个退出过程中，进程占有的所有资源将被回收，除了task_struct结构（以及少数资源）以外。于是进程就只剩下task_struct这么个空壳，故称为僵尸。

> 如果父进程结束了，init进程会自动接受，清理相关子进程。如果父进程是一个循环，那么子进程就会一直保持僵尸状态。

处理僵尸进程的办法
- 改写父进程
- kill父进程
- 重启系统

#### 2.6.退出状态
> exit_dead状态是非常短暂的，几乎不可能通过ps命令捕捉到。

### 3.进程状态变化说明

#### 3.1进程的初始状态
进程是通过fork系列的系统调用（fork、clone、vfork）来创建的，内核（或内核模块）也可以通过kernel_thread函数创建内核进程。这些创建子进程的函数本质上都完成了相同的功能——将调用进程复制一份，得到子进程。（可以通过选项参数来决定各种资源是共享、还是私有。）

既然调用进程处于task_running状态,则子进程默认也处于task_running状态。

另外，在系统调用调用clone和内核函数kernel_thread也接受clone_stopped选项，从而将子进程的初始状态置为 task_stopped。

#### 3.2进程状态的变迁
> 两个方向：从task_running状态变为非task_running状态、或者从非task_running状态变为task_running状态

如果给一个task_interruptible状态的进程发送sigkill信号，这个进程将先被唤醒（进入task_running状态），然后再响应sigkill信号而退出（变为task_dead状态）。并不会从task_interruptible状态直接退出。

进程从非task_running状态变为task_running状态，是由别的进程（也可能是中断处理程序）执行唤醒操作来实现的。执行唤醒的进程设置被唤醒进程的状态为task_running，然后将其task_struct结构加入到某个cpu的可执行队列中。于是被唤醒的进程将有机会被调度执行。
 
 进程从task_running状态变为非task_running状态，则有两种途径：
-  响应信号而进入task_stoped状态、或task_dead状态；
-  执行系统调用主动进入task_interruptible状态（如nanosleep系统调用）、或task_dead状态（如exit系统调用）；或由于执行系统调用需要的资源得不到满足，而进入task_interruptible状态或task_uninterruptible状态（如select系统调用）。

显然，这两种情况都只能发生在进程正在cpu上执行的情况下。

### 4.常用命令参考：

```
#查看进程
ps -aux |more
# user 			用户名称
# pid				进程号
# %cpu			进程占用cpu百分比
# %%mem			进程占用物理内存的百分比
# vsz				进程占用虚拟内存的大小
# rss				进程占用物理内存的大小
# tty				终端名称(后台则为?)
# stat			进程状态
# 	S:睡眠
# 	s:会话的先导进程
# 	N:进程拥有比普通优先级更低的优先级
# 	R:正在运行
# 	D:短期等待
# 	Z:僵尸进程
# 	T:被跟踪或者被停止
# start			进程启动时间
# time			使用cpu总时间
# command		启动进程所用的命令和参数，如果过长会被截断显示

ps -ef |more
#uid 			用户id
#pid				进程id
#ppid			父进程id
#C				进程占cpu百分比
#stime			进程启动时间
#tty				终端名称(后台则为?)
#cmd				启动进程所用的命令和参数

-------------------------------------------------------------------------
#查看进程树
pstree

#进程io相关,eg
pidstat  -d 1 10 #进程 io读写情况 -p 某个进程

#打印正在运行的进程的栈跟踪信息
pstack [pid]  #pstack是gdb的一部分,yum gdb即可

#显示线程运行时间
ps -eLo pid,lwp,pcpu |grep   #LWP XXXX

#其他命令，如
strace  #跟踪进程
ptrace # 进程跟踪
perf  #性能分析
oprofile #性能测试工具
```

### 5.进程、线程和协程
进程是资源分配的基本单位，线程是资源调度的基本单位
#### 4.1进程
进程是操作系统对一个正在运行的程序的抽象，一个系统可同时运行多个进程，每个进程都好像独占硬件。并发指一个进程和另一个进程的指令是交错执行的。操作系统实现这种交错执行的机制称为上下文切换。

操作系统保持跟踪进程运行所需要的所有状态信息。这种状态就是上下文，包括例如PC和寄存器文件的当前值，以及主存的内容。任何时刻，但处理器系统只能执行一个进程的代码，如果操作系统决定把控制权转移到新的进程上，就会进行上下文切换。

#### 4.2线程
一个进程可以由多个线程的执行单元组成，每个线程都运行在进程的上下文中，并共享同样的代码和全局数据。进程的个体间是完全独立的，线程是彼此依存的。多进程环境中，进程终止不影响其他，多线程环境，父线程终止，全部子线程被迫终止。

linux中的线程，轻量级的进程表示。

#### 4.3协程
协程是用户模式下的轻量级线程，更准确叫用户空间线程。协程程序是在线程里面跑的，因此协程又称微线程和纤程等。

协没有线程的上下文切换消耗。协程的调度切换是用户(程序员)手动切换的,因此更加灵活,因此又叫用户空间线程.

原子操作性。由于协程是用户调度的，所以不会出现执行一半的代码片段被强制中断了，因此无需原子操作锁。

#### 参考 4.4
https://juejin.cn/post/6844903607892967432
https://segmentfault.com/a/1190000020305826

### 6.其他知识

###### cgroups 
groups 是Linux内核提供的一种可以限制单个进程或者多个进程所使用资源的机制，可以对 cpu，内存等资源实现精细化的控制，目前越来越火的轻量级容器 Docker 就使用了 cgroups 提供的资源限制能力来完成cpu，内存等部分的资源控制。

###### 进程间通信
每个进程各自有不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）

### 7.参考：
1.https://labuladong.gitbook.io/algo/di-wu-zhang-ji-shu-wen-zhang-xi-lie/linux-jin-cheng

2.https://cloud.tencent.com/developer/article/1648037

3.https://blog.51cto.com/363918/637406

4.https://www.jianshu.com/p/c1015f5ffa74

ITPub博客

【linux】Linux进程相关知识学习整理

最新文章