1.1 Linux進(jìn)程管理

進(jìn)程管理是操作系統(tǒng)的最重要的功能之一。有效率的進(jìn)程管理能保證一個程序平穩(wěn)而高效地運(yùn)行。

Linux的進(jìn)程管理與UNIX的進(jìn)程管理相似。它包括進(jìn)程調(diào)度、中斷處理、信號、進(jìn)程優(yōu)先級、上下文切換、進(jìn)程狀態(tài)、進(jìn)度內(nèi)存等。

在本節(jié)中，我們將描述Linux進(jìn)程管理的基本原理的實(shí)現(xiàn)。它將更好地幫助你理解Linux內(nèi)核如何處理進(jìn)程及其對系統(tǒng)性能的影響。

1.1.1 什么是進(jìn)程？

一個進(jìn)程是一個運(yùn)行在處理器的程序的一個實(shí)例。該進(jìn)程使用Linux內(nèi)核能夠處理的任何資源來完成它的任務(wù)。

所有運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)中的進(jìn)程都被task_struct結(jié)構(gòu)管理，該結(jié)構(gòu)同時被叫作進(jìn)程描述。一個進(jìn)程描述包含一個運(yùn)行進(jìn)程所有的必要信息，例如進(jìn)程標(biāo)識、進(jìn)程屬性和構(gòu)建進(jìn)程的資源。如果你了解該進(jìn)程構(gòu)造，你就能理解對于進(jìn)程的運(yùn)行和性能來說，什么是重要的。圖1-2展示了進(jìn)程結(jié)構(gòu)相關(guān)的進(jìn)程信息概述。

圖1-2task_struct結(jié)構(gòu)體

1.1.2 進(jìn)程的生命周期

每一個進(jìn)程都有其生命周期，例如創(chuàng)建、運(yùn)行、終止和消除。這些階段會在系統(tǒng)啟動和運(yùn)行中重復(fù)無數(shù)次。因此，進(jìn)程的生命周期對于其性能的分析是非常重要的。

圖1-3展示了經(jīng)典的進(jìn)程生命周期。

圖1-3經(jīng)典的進(jìn)程生命周期

當(dāng)一個進(jìn)程創(chuàng)建一個新的進(jìn)程，進(jìn)程的創(chuàng)建進(jìn)程（父進(jìn)程）調(diào)用 一個fork()系統(tǒng)調(diào)用。當(dāng)fork()系統(tǒng)調(diào)用被調(diào)用，它得到該新創(chuàng)建進(jìn)程（子進(jìn)程）的進(jìn)程描述并調(diào)用一個新的進(jìn)程id。它復(fù)制該值到父進(jìn)程進(jìn)程描述到子進(jìn)程中。此時整個的父進(jìn)程的地址空間是沒有被復(fù)制的；父子進(jìn)程共享相同的地址空間。

exec()系統(tǒng)調(diào)用復(fù)制新的程序到子進(jìn)程的地址空間。因?yàn)楦缸舆M(jìn)程共享地址空間，寫入一個新的程序的數(shù)據(jù)會引起一個分頁錯誤。在這種情況下，內(nèi)存會分配新的物理內(nèi)存頁給子進(jìn)程。

這個推遲的操作叫作寫時復(fù)制。子進(jìn)程通常運(yùn)行他們自己的程序而不是與父進(jìn)程運(yùn)行相同的程序。這個操作避免了不必要的開銷，因?yàn)閺?fù)制整個地址空間是一個非常緩慢和效率低下的操作，它需要使用大量的處理器時間和資源。

當(dāng)程序已經(jīng)執(zhí)行完成，子進(jìn)程通過調(diào)用exit()系統(tǒng)調(diào)用終止。exit()系統(tǒng)調(diào)用釋放進(jìn)程大部分的數(shù)據(jù)并通過發(fā)送一個信號通知其父進(jìn)程。此時，子進(jìn)程是一個被叫作僵尸進(jìn)程的進(jìn)程（參閱page 7的“Zombie processes”）。

子進(jìn)程不會被完全移除直到其父進(jìn)程知道其子進(jìn)程的調(diào)用wait()系統(tǒng)調(diào)用而終止。當(dāng)父進(jìn)程被通知子進(jìn)程終止，它移除子進(jìn)程的所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并釋放它的進(jìn)程描述。

1.1.3 線程

一個線程是一個單獨(dú)的進(jìn)程生成的一個執(zhí)行單元。它與其他的線程并行地運(yùn)行在同一個進(jìn)程中。各個線程可以共享進(jìn)程的資源，例如內(nèi)存、地址空間、打開的文件等等。它們能訪問相同的程序數(shù)據(jù)集。線程也被叫作輕量級的進(jìn)程（Light Weight Process，LWP）。因?yàn)樗鼈児蚕碣Y源，所以每個線程不應(yīng)該在同一時間改變它們共享的資源?；コ獾膶?shí)現(xiàn)、鎖、序列化等是用戶程序的責(zé)任。

從性能的角度來說，創(chuàng)建線程的開銷比創(chuàng)建進(jìn)程少，因數(shù)創(chuàng)建一個線程時不需要復(fù)制資源。另一方面，進(jìn)程和線程擁在調(diào)度算法上有相似的特性。內(nèi)核以相似的方式處理它們。

圖1-4 進(jìn)程和線程

在現(xiàn)在的Linux實(shí)現(xiàn)中，線程支持UNIX的可移植操作系統(tǒng)接口（POSIX）標(biāo)準(zhǔn)庫。在Linux操作系統(tǒng)中有幾種可用的線程實(shí)現(xiàn)。以下是廣泛使用的線程庫：

LinuxThreads

LinuxThreads自從Linux內(nèi)核2.0起就已經(jīng)被作為默認(rèn)的線程實(shí)現(xiàn)。LinuxThreads的一些實(shí)現(xiàn)并不符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)。Native POSIX Thread Library（NPTL）正在取代LinuxThreads。LinuxThreads在將來的Linux企業(yè)發(fā)行版中將不被支持。

Native POSIX Thread Libary（NPTL）

NPTL最初是由紅帽公司開發(fā)的。NPTL與POSIX更加兼容。通過Linux內(nèi)核2.6的高級特性，例如，新的clone()系統(tǒng)調(diào)用、信號處理的實(shí)現(xiàn)等等，它具有比LinuxThreads更高的性能和伸縮性。

NPTL與LinuxThreads有一些不兼容。一個依賴于LinuxThreads的應(yīng)用可能不能在NPTL實(shí)現(xiàn)中工作。

Next Generation POSIX Thread（NGPT）

NGPT是一個IBM開發(fā)的POSIX線程庫?，F(xiàn)在處于維護(hù)階段并且在未來也沒有開發(fā)計劃。

使用LD_ASSUME_KERNEL環(huán)境變量，你可以選擇在應(yīng)用中使用哪一個線程庫。

1.1.4 進(jìn)程優(yōu)先級和nice值

進(jìn)程優(yōu)先級是一個數(shù)值，它通過動態(tài)的優(yōu)先級和靜態(tài)的優(yōu)先級來決定進(jìn)程被CPU處理的順序。一個擁有更高進(jìn)程優(yōu)先級的進(jìn)程擁有更大的機(jī)率得到處理器的處理。

內(nèi)核根據(jù)進(jìn)程的行為和特性使用試探算法，動態(tài)地調(diào)整調(diào)高或調(diào)低動態(tài)優(yōu)先級。一個用戶進(jìn)程可以通過使用進(jìn)程的nice值間接改變靜態(tài)優(yōu)先級。一個擁有更高靜態(tài)優(yōu)先級的進(jìn)程將會擁有更長的時間片（進(jìn)程能在處理上運(yùn)行多長時間）。

Linux支持從19（最低優(yōu)先級）到-20（最高優(yōu)先級）的nice值。默認(rèn)值為0。把程序的nice值修改為負(fù)數(shù)（使進(jìn)程的優(yōu)先級更高），需要以root身份登陸或使用su命令以root身份執(zhí)行。

1.1.5 上下文切換

在進(jìn)程運(yùn)行過程中，進(jìn)程的運(yùn)行信息被保存于處理器的寄存器和它的緩存中。正在執(zhí)行的進(jìn)程加載到寄存器中的數(shù)據(jù)集被稱為上下文。為了切換進(jìn)程，運(yùn)行中進(jìn)程的上下文將會被保存，接下來的運(yùn)行進(jìn)程的上下文將被被恢復(fù)到寄存器中。進(jìn)程描述和內(nèi)核模式堆棧的區(qū)域?qū)脕肀４嫔舷挛?。這個切換被稱為上下文切換。過多的上下文切換是不受歡迎的，因?yàn)樘幚砥髅看味急仨毲蹇账⑿录拇嫫骱途彺?，為新的進(jìn)程制造空間。它可能會引起性能問題。

圖1-5 說明了上下文切換如何工作。

圖1-5 上下文切換

1.1.6 中斷處理

中斷處理是優(yōu)先級最高的任務(wù)之一。中斷通常由I/O設(shè)備產(chǎn)生，例如網(wǎng)絡(luò)接口卡、鍵盤、磁盤控制器、串行適配器等等。中斷處理器通過一個事件通知內(nèi)核（例如，鍵盤輸入、以太網(wǎng)幀到達(dá)等等）。它讓內(nèi)核中斷進(jìn)程的執(zhí)行，并盡可能快地執(zhí)行中斷處理，因?yàn)橐恍┰O(shè)備需要快速的響應(yīng)。它是系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。當(dāng)一個中斷信號到達(dá)內(nèi)核，內(nèi)核必須切換當(dāng)前的進(jìn)程到一個新的中斷處理進(jìn)程。這意味著中斷引起了上下文切換，因此大量的中斷將會引起性能的下降。

在Linux的實(shí)現(xiàn)中，有兩種類型的中斷。硬中斷是由請求響應(yīng)的設(shè)備發(fā)出的（磁盤I/O中斷、網(wǎng)絡(luò)適配器中斷、鍵盤中斷、鼠標(biāo)中斷）。軟中斷被用于處理可以延遲的任務(wù)（TCP/IP操作，SCSI協(xié)議操作等等）。你可以在/proc/interrupts文件中查看硬中斷的相關(guān)信息。

在多處理器的環(huán)境中，中斷被每一個處理器處理。綁定中斷到單個的物理處理中能提高系統(tǒng)的性能。更多的細(xì)節(jié)，請參閱4.4.2，“CPU的中斷處理親和力”。

1.1.7 進(jìn)程狀態(tài)

每一個進(jìn)程擁有自己的狀態(tài)，狀態(tài)表示了進(jìn)程當(dāng)前在發(fā)生什么。

在進(jìn)程的執(zhí)行期間進(jìn)程的狀態(tài)會發(fā)生改變。一些進(jìn)程的狀態(tài)如下：

TASK_RUNNING

在此狀態(tài)下，表示進(jìn)程正在CPU中運(yùn)行或在隊(duì)列中等待運(yùn)行（運(yùn)行隊(duì)列）。

TASK_STOPPED

在此狀態(tài)下的進(jìn)程被某些信號（如SIGINT，SIGSTOP）暫停。進(jìn)程正在等待通過一個信號恢復(fù)運(yùn)行，例如SIGCONT。

TASK_INTERRUPTIBLE

在此狀態(tài)下，進(jìn)程被暫停并等待一個某些條件狀態(tài)的到達(dá)。如果一個進(jìn)程處于TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)并接收到一個停止的信號，進(jìn)程的狀態(tài)將會被改變并中斷操作。一個典型的TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)的進(jìn)程的例子是一個進(jìn)程等待鍵盤中斷。

TASK_UNINTERRUPTIBLE

與TASK_INTERRUPTIBLE相似。當(dāng)一個進(jìn)程處于TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)可以被中斷，向處于TASK_UNINTERRUPTIBLE狀態(tài)的進(jìn)程發(fā)送一個信號不會發(fā)生任何操作。一個TASK_UNINTERRUPTIBLE進(jìn)程的典型的例子是等待磁盤I/O操作。

TASK_ZOMBIE

當(dāng)一個進(jìn)程調(diào)用exit()系統(tǒng)調(diào)用退出后，它的父進(jìn)程應(yīng)該知道該進(jìn)程的終止。處于TASK_ZOMBIE狀態(tài)的進(jìn)程會等待其父進(jìn)程通知其釋放所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖1-6 進(jìn)程狀態(tài)

僵尸進(jìn)程

當(dāng)一個進(jìn)程接收到一個信號而終止，它在結(jié)束自己之前，通常需要一些時間來結(jié)束所有的任務(wù)（例如關(guān)閉打開的文件）。在這個通常非常短暫的時間內(nèi)，該進(jìn)程就是一個僵尸進(jìn)程。

進(jìn)程已經(jīng)完成所有的關(guān)閉任務(wù)后，它會向父進(jìn)程報告其即將終止。有些時候，一個僵尸進(jìn)程不能把自己終止，這將會引導(dǎo)它的狀態(tài)顯示為z（zombie）。

使用kill命令來關(guān)閉這樣的一個進(jìn)程是不可能的，因?yàn)樵撨M(jìn)程已經(jīng)被認(rèn)為已經(jīng)死掉了。如果你不能清除僵尸進(jìn)程，你可以結(jié)束其父進(jìn)程，然后僵尸進(jìn)程也隨之消失。但是，如果父進(jìn)程為init進(jìn)程，你不能結(jié)束它。init進(jìn)程是一個非常重要的進(jìn)程，因此可能需要重啟系統(tǒng)來清除僵尸進(jìn)程。

1.1.8 進(jìn)程內(nèi)存段

進(jìn)程使用其自身的內(nèi)存區(qū)域來執(zhí)行工作。工作的變化根據(jù)情況和進(jìn)程的使用而決定。進(jìn)程可以擁有不同的工作量特性和不同的數(shù)據(jù)大小需求。進(jìn)程必須處理各種數(shù)據(jù)大小。為了滿足需求，Linux內(nèi)核為每個進(jìn)程使用動態(tài)申請內(nèi)存的機(jī)制。進(jìn)程內(nèi)存分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。

圖1-7 進(jìn)程地址空間

進(jìn)程內(nèi)存區(qū)由以下幾部分組成：

Text段

該區(qū)域用于存儲運(yùn)行代碼。

Data段

數(shù)據(jù)段包括三個區(qū)域。

– Data：該區(qū)域存儲已被初始化的數(shù)據(jù)，如靜態(tài)變量。
– BSS：該區(qū)域存儲初始化為0的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被初始化為0。
– Heap：該區(qū)域用于根據(jù)需求使用malloc()動態(tài)申請的內(nèi)存。堆向高地址方向增長。

Stack段

該區(qū)域用于存儲局部變量、函數(shù)參數(shù)和返回函數(shù)的地址。棧向低地址方向增長。

用戶進(jìn)程的地址空間內(nèi)存分布可以使用pmap命令來查看。你可以使用ps命令來查看內(nèi)存段的大小?？梢詤㈤?.3.10的“pmap”，“ps和pstree”。

1.1.9 Linux CPU調(diào)度

任何的計算機(jī)的基本功能都非常簡單，就是計算。為了能夠計算，它意味著必須管理計算資源或處理器和計算任務(wù)，也就是我們所知道的線程或進(jìn)程。感謝Ingo Molnar的巨大貢獻(xiàn)，Linux內(nèi)核使用一個O（1）的算法代替以前的O（n）的CPU調(diào)度算法。O（1）指的是一種靜態(tài)的算法，意味著選擇一個進(jìn)程并執(zhí)行所花費(fèi)的時間是一個常數(shù)，不管進(jìn)程的數(shù)量的大小。

新的調(diào)度算法的擴(kuò)展性非常好，不管進(jìn)程的數(shù)量或者處理器的數(shù)量是多少，系統(tǒng)的開銷都是非常少的。該算法使用兩個進(jìn)程優(yōu)先級數(shù)組：

active（活動的）

expired（過期的）

調(diào)度器根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級和優(yōu)先攔截率為進(jìn)程分配時間片，然后進(jìn)程以優(yōu)先級順序放置到active數(shù)組內(nèi)。當(dāng)進(jìn)程時間片耗盡，進(jìn)程申請一個新的時間片并放置到expired數(shù)組內(nèi)。當(dāng)active數(shù)組中的所有進(jìn)程的時間片耗盡，這兩個數(shù)組進(jìn)行切換，重新運(yùn)行該算法。對于一般的交互式進(jìn)程（相對于實(shí)時進(jìn)程），擁有高優(yōu)先級的進(jìn)程通常比低優(yōu)先級的進(jìn)程得到更長的時間片和更多的計算時間，但這并不表示低優(yōu)先級的進(jìn)程會被完全忽略（餓死）。該算法的優(yōu)勢是為擁有大量線程和進(jìn)程并擁有多處理器的企業(yè)級環(huán)境提升Linux內(nèi)核的擴(kuò)展性。該O（1）的新CPU調(diào)度器是為內(nèi)存2.6設(shè)計的，但是現(xiàn)在已經(jīng)移植到2.4系列中。圖1-8說明了Linux CPU如何調(diào)度工作。

圖1-8 Linux內(nèi)核2.6 O（1）調(diào)度器

新調(diào)度器的另一個顯著改進(jìn)是支持非一致性內(nèi)存架構(gòu)（NUMA）和對稱多線程處理器，例如Intel超線程技術(shù)。

改進(jìn)后的NUMA支持確保只有某個節(jié)點(diǎn)過載時，負(fù)載平衡才會跨越某個NUMA節(jié)點(diǎn)。這個機(jī)制確保了在NUMA系統(tǒng)相對比較緩慢的擴(kuò)展鏈接流量的最小化。盡管每個調(diào)度節(jié)拍時負(fù)載平衡會遍歷調(diào)度域群組中的處理器，但只有在節(jié)點(diǎn)過載并請求負(fù)載平衡時，負(fù)載才會跨越調(diào)度域轉(zhuǎn)移。

圖1-9 O（1）CPU調(diào)度器結(jié)構(gòu)