Linux进程管理

一、程序与进程      

    1、程序

        程序是为了达到特定的目的，可以被计算机运行并且由命令代码组成的语句序列。

        程序由指令和数据组成。

        指令：用于调度CPU工作，使CPU可以处理所需要的数据。

    2、进程

        进程是指运行中的程序。

    3、程序的工作模式

        所有对于硬件的操作用户都无权访问，如果用户运行的程序需要访问硬件时，需要进行系统调用，通过内核来完成对硬件的操作，此时程序将由用户模式转入内核模式。比如：我们想在目录中新建一个文件夹，因为要对磁盘进行写操作，当使用mkdir命令时，就会进行系统调用由内核来完成此操作后再将结果返回给用户。                   CPU在其内部的不同区域完成不同的功能：ring0分配给内核（kernel），ring3分配给用户程序（user program）。

二、Linux的多用户，多任务环境

    1、内存的分配

        Linux对内存采用分段、分页的机制。    

        物理内存每4k划分成一个页框；页框为物理内存的最小单位。

        应用程序运行在自己的地址空间内，这个地址空间称为线性地址空间，所有数据在线性地址空间内部表现为页面的形式存放，而不是分页的数据无法交换至swap空间。

        进程访问数据是从线性地址访问，内核将线性地址转换成物理地址，使得进程得以访问到数据。

        线性地址与物理地址的对应关系存放在一张表中，这引表在MMU（Memory Management Unit）中进行维护。

        内核借助MMU来使得各个进程使用内核时好像是独立的状态；MMU完成线性地址到物理地址的转换。

        内核精心编造了一个数据结构，假如内存如果有4G的话，1G分配给内核使用，3G分配给进程使用；这个数据结构使用得每个进程都认为自己独占3G内存。

     2、进程调度

        调度就是挑选进程到CPU中运行的过程。

        进程调度采用的O(1)的算法复杂度，即时间恒定的算法。

        CFS：完全公平调度器

    3、进程的分类

        CPU-Bound（CPU密集型）：对于CPU占用率高的进程。

        I/O-Bound（I/O密集型）：等待I/O时间长的进程

    4、进程优先级

        CPU挑选进程是根据进程的优先级进行的，进程优先级的取值范围为0-139。

        实时优先级：0-99，数字越大，优先级越高；

        静态优先级：100-139，数字越小，优先级越高。

        用户可以通过调整nice值来改变进程的优先级。

            nice值：-20-19 调整静态优先级

            进程启动时，默认nice值为0，优先级对应为120。

        动态优先级：由内核维护，动态调整。

        Linux使用抢占式多任务：当时钟信号到达时，高优先级进程可以抢占CPU。

    5、进程状态

        运行态：runnnig

        睡眠态：sleeping

            可中断睡眠：interruptable

            不可中断睡眠：uninterruptable，等待外部条件满足之前无法继续运行。       

        停止态：stopped，不会再被内核调度并运行。

        僵死态：zombie，父进程先于子进程结束了，子进程再也不能被停掉的进程。

    6、子进程  

        进程运行是单线运行的，进程中的指令必须顺序执行。             

        子进程：父进程有无法完成的任务时，启用子进程来执行，此时父进程进入睡眠，子进程执行完成后，返回父进程继续执行。

        进程创建机制：每一个进程都是由其父进程fork()自身而来。

    7、进程间通信（IPC：Inter Process Communication）

        同一主机：

            singnal：信号。

            shm：共享内存。

            semerphor：旗语。

        不同主机：

            rpc：remote procedure calling，远程过程调用。

            socket：IP:port，套接字。

    8、CPU虚拟化

        就是将CPU切割为时间片（timeslice）。

        保存现场：将未执行完成进程状态保存在状态表中。

        恢复现场：将状态表中未执行完的进程调出继续执行。

    9、线程

        线程是比进程更小的可以被单独调度的单位。

        线程将进程的任务指令拆分，分配到不同的CPU上同时运行。

        不过Linux中的进程都是轻量级进程，已经相当于线程的级别了。

三、Linux进程管理工具

    1、查看进程树：pstree

    2、显示进程状态：ps

        ps命令的选项参数有很多，下面只介绍常用的选项。

        因为开源的原因，ps的也存在众多的版本，CentOS6的ps命令支持两种风格：SysV和BSD

            SysV：一般带“-”

            BSD：不带“-”

        选项：

            a：与终端相关的进程；

            x：与终端无关的进程；

            u：显示用户。

        组合选项：aux

        上图中各字段的含义如下：

            USER：进程的发起者；

            PID：进程的PID；

            %CPU：CPU的占用率；

            %MEM：内存的占用率；

            VSZ：Virtual memory size，虚拟内存空间大小（线性地址空间大小）；

            RSS：常驻内存集；不能被交换到swap空间中的所有数据；

            TTY：终端；

            STAT：进程状态， 包括：

                R：running；

                S：可中断眨睡眠；

                D：不可中断睡眠；

                T：Stopped；

                Z：Zombie；

                s：session leader；

                t：前台进程；

                l：多线程进程；

                N：低优先级进程；

                L：高优先级进程。

            COMMAND：包含在方括号中的进程表示为内核线程。

        组合选项： -ef

              -e：显示所有进程；

              -f：显示完整格式的信息。

        组合选项：-eFH

              -F：显示额外信息；

              -H：显示进程的层次结构。

            -o：自定义要显示的信息。

                ni：nice值；

                pri：优先级；

                psr：运行的CPU。

    3、显示指定进程的进程号：pgrep

        常用选项：

              -u USERNAME：仅显示由指定用户启动的进程；

              -U UID：仅显示由指定用户启动的进程；

              -G GID：仅显示由指定组启动的进程；

              -t terminal：仅显示指定终端相关的进程；

              -l：同时显示进程号和程序名。

    4、显示指定命令所启动的进程的ID：pidof

    5、实时监控进程：top

        直接输入top命令，出现以下界面：

        可以在上面的界面中直接使用命令来对显示内容进行控制：

            M：根据内存百分比进行降序排序，对应的列为%MEM；

            P：根据CPU百分比进行降序排序，对应的列为%CPU；

            T：根据累积占用的CPU时间降序排序，对应的列为TIME+；

            l：显示或不显示负载信息，即上图中第一行的内容，如下图所示：

            这一行的内容表示：

                10:32:08：当前系统时间；

                up 18:42：服务器连续运行的时长为18小时42分钟；

                4 users：当前登录系统的用户数；

                load average：过去1分钟、5分钟、15分钟的平均负载

            t：显示或不显示进程及CPU相关的信息，如下图所示：

                上图为不显示进程及CPU信息的结果。              

            1：数字，分别显示各CPU的相关信息；

            使用数字1可以查看不同的CPU的信息，下面说明各字段具体的含义：                     

                us：user space，用户运行程序时间百分比；

                sy：system，用于运行内核所占用CPU的百分比；

                ni：nice，用户进程空间内改变过优先级的进程占用CPU百分比；

                id：idle，空闲CPU百分比；

                wa：wait io，等待IO花费的时间；

                hi：hardware interrupt，硬中断占用CPU的百分比；

                si：software interrupt，软中断占用CPU的百分比；

                st：stolen，偷走的时间百分比。

            m：显示或不显示物理内存和交换内存信息,如下图所示：

            各字段含义如下：

                Mem：物理内存；

                Swap：交换分区； 

                buffers：缓冲区，用于减少进程之间的等待时间；

                cache：CPU与内存之间的高速缓存，用于减少CPU的等时间。                           

            k：终止指定进程；

           s：修改刷新时间间隔；

            q：退出。

        常用选项：

            -d #：指定刷新时间间隔；   

            -b：以批次的方式显示top刷新；

            -n #：显示的批次；

            -p PID：监控指定进程。

            查看指定进程：

    6、显示虚拟内存统计信息：vmstat

        各字段含义如下：       

            procs：

                r：运行队列的长度；

                b：被阻塞（等待IO完成）队列的长度。

            memory：

                swpd：从物理内存交换至swap中的数据量；

                free：空闲物理内存；

                buffer：缓冲，与写相关，加速写操作；

                cache：缓存，与读相关，加速读操作。

            swap：

                si：swap in，数据进入swap中的数据速率，单位kb/s；

                so：swap out，数据离开swap中的数据速率。

            io：

                bi：block in，从块设备读入的数据速率，单位kb/s；

                bo：block out，保存至块设备的数据速率。

            system：

                in：interrupt，中断速率；

                cs：context switch，进程切换速率。

            CPU：

                各字段含义与top中所表示的含义相同，此处不再赘述。

        常用选项：

            -s：显示内存统计数据。

    7、系统资源统计工具：dstat

        命令选项：       

            -c：查看cpu的统计数据

            -d：显示磁盘的统计数据；

            -D DISK：只显示指定disk的统计数据；

            -g：显示page的统计数据；

            -i：显示中断的统计数据；

            -m：显示内存的统计数据；

            -l：显示系统负载的统计数据；

            -n：显示网络接口相关统计数据；

            -N INTERFACE：显示指定网络接口的统计数据；

            -s：显示交换内存统计数据；

            –ipc：显示ipc消息队列、信息和共享内存的使用状况；

            -y：显示系统状态数据；

            -cdngy：相当于不带参数的dstat，也相当于-a

            -t：显示时间；

        网络连接状态统计：

            –tcp：显示tcp的个数及状态；

            –udp：显示udp的个数及状态；

            –unix：本地通信时unix文件的个数；

            –raw：raw sockets；

            -f：以完整格式显示所有信息

            -v：类似于vmstat命令；

        命令用法比较简单，就不做过多的演示了。

四、调整nice值

    只有管理员可以使用小于0的nice值，普通用户调整nice值时只能增加，即只能把优先级调低。

    1、直接启动一个进程，并指定其nice值：

    2、调整已运行的进程nice值

五、进程间通信

    1、显示常用信号：kill -l 

    2、查看各个信号的作用：man 7 signal

    3、信号的调用方式

        每个信号都可以使用三种方式之一在kill中进行调用：

            1）数字代称：1，2，9，15；

            2）信号完整名称：SIGHIP,SIGINT,SIGKILL,SIGTERM；

            3）信号简称：HUP,INT,KILL,TERM；

        常用信号的含义：

            1) SIGHUP：让程序重读配置文件，而无需重启程序；

            2) SIGINT：interrupt，相当于ctrl+c，打断正在运行中的前台程序；

            9) SIGKILL：强制终止进程；

            15) SIGTERM：正常终止进程，默认选项。

    4、信号调用的格式       

        1、kill [-SIGNAL] PID

        终止所有httpd的进程。

    2、killall [-SIGNAL] COMMAND

五、Linux作业控制

    前台作业：通过终端启动，并在终止之前一直占据着终端；

    后台作业：作业启动之后即运行于后台，释放前台；

    交互式模式：手动启动的非守护进程类的程序，一般都运行于前台。

    将作业运行于后台：

        1、将运行中的作业送往后台

            Ctrl+z：将作业送往后台，并处于停止状态。

        2、将尚未启动的作业直接在后台运行

            COMMAND &

            这种手动方式控制的作业与终端相关，如果正在运行作业的终端被退出了，作业会被终止；如果想要在终端退出后作业依然在后台运行，则需要使用下面的命令：

            nohup COMMAND &

    查看当前正在运行的作业：

    三个字段从左至右分别代表：作业号、作业状态、作业命令。

    作业控制命令：

        fg [[%]jobnum]]：将指定的作业调回前台；

        bg [[%]jobnum]]：让送往后台的作业在后台继续运行；

        kill %jobnum：终止指定的作业。