Linux 进程管理

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概述

本文介绍与进程、服务相关的若干知识。

进程

如果学习过操作系统课程，我们知道：程序是一组代码集合，它存储于硬盘之中，而进程是程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

在 Linux 系统中，进程可简单表示为：PID (进程编号) + PPID (父进程编号) + 基于使用者所得到的权限 + 程序码。

我们最常使用的 bash 就是一个进程，其上输入各种指令便会引发一个 bash 子进程以执行此指令。这里就简单说明单一 bash 环境下的工作管理 (job control)：

  • 通过在指令尾部添加 &，该指令便会于 bash 背景中执行，执行完成后，其结果会显示于 bash 页面之上。
  • 向正在运行的指令程序输入 ctrl + z，该指令程序便会暂停执行，并位于 bash 背景之中。
  • 借助于指令 jobs，可查看 bash 背景中各工作的状态信息。
  • 借助于指令 fg，可将某指令程序拉至 bash 页面中执行。
  • 借助于指令 bg，可将背景中某指令程序状态由暂停变更为运行中。
  • 借助于指令 kill，可向背景中某指令程序发送特定 signal，以重启、删除此指令程序。

需要注意的是，如果 bash 关闭，则 bash 背景中各种指令程序随即停止。若不想此场景发生，可使用指令 nohup xxx &，如此该指令的执行便会位于系统背景之中，此时只有当 Linux 系统关闭，该指令程序才会停止。

接下来，我们简单谈谈 Linux 系统下的进程管理 (process control)：

  • ps

    该指令可查看个时间点各进程的运行情况。

    通常只需知道两个选项即可：ps -l 用于查看 bash 之下的各进程运行情况，ps aux 用于查看系统之下的各进程运行情况。

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    F S   UID     PID    PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
    0 S  1000    1689    1688  0  80   0 -  5032 do_wai pts/0    00:00:00 bash
    0 R  1000    2101    1689  0  80   0 -  5228 -      pts/0    00:00:00 ps
    各字段含义如下：
    - F 表明此进程的权限类别，若为 4，则表示其为 root 权限。
    - S 表明此进程的运行状态，其取值通常有：R (运行中)、S (睡眠中，可被手动唤醒)、D (睡眠中，
      不可被手动唤醒，通常处于 I/O 等待)、T (停止中)、Z (僵尸状态，进程已终止，但无法被移除)
    - UID/PID/PPID，含义十分明确，忽略。
    - 表明此进程的 CPU 使用率。
    - PRI/NI 共同指明该进程的运行优先级，PRI 取值越低，进程运行优先级越高。
      PRI 动态变化且无法进行调整，由于 PRI 取值与 NI 相关，因此可动态调整它以间接调整 PRI。
      借助于 nice 指令，在程序运行之初即指定 NI；借助于 renice，重新调整特定进程的 NI。
    - ADDR 指明该进程所依据的程序位于内存哪部分，不知道为什么显示为 '-'。
    - SZ 指明该进程目录用掉多少内存。
    - WCHAN 仍是指明该进程是否处于运行状态。
    - TTY 指明使用者所使用的伪终端设备。
    - TIME 指明该进程实际使用 CPU 的时间。
    - CMD 指明触发此进程运行的指令。
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    USER         PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
    root           1  0.0  0.1 168896 12052 ?        Ss   09:09   0:02 /sbin/init splash
    各字段含义如下：
    - USER 指明该进程的所属账号。
    - PID/%CPU/%MEM，含义十分明确，忽略。
    - VSZ 指明该进程用掉的虚拟内存量。
    - RSS 指明该进程占用的固定内存量。
    - TTY 含义同上。
    - STAT 指明该进程的运行状态，含义同 S。
    - START/TIME/MOMMAND，含义十分明确，忽略。

    通常情况下，当子进程运行完成后，父进程应当合理终止它。但是由于系统不稳定或者程序编写问题，会造成某些进程虽已运行完成，但是未被终止，这种进程便被称为 zombie process (即僵尸进程)，其状态便为 Z。

  • top

    该指令可动态持续侦测各进程的运行情况。

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    top - 10:59:28 up  1:49,  2 users,  load average: 0.27, 0.30, 0.24
    Tasks: 247 total,   1 running, 245 sleeping,   1 stopped,   0 zombie
    %Cpu(s):  0.0 us,  1.5 sy,  0.0 ni, 98.5 id,  0.0 wa,  0.0 hi,  0.0 si,  0.0 st
    MiB Mem :   7929.7 total,   6317.6 free,    409.2 used,   1202.9 buff/cache
    MiB Swap:   2048.0 total,   2048.0 free,      0.0 used.   7222.2 avail Mem

    PID USER      PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU  %MEM     TIME+ COMMAND
    860 root      20   0 1120560  46824  26060 S   0.6   0.6   0:54.76 containerd
    top 指令输出结果比较多，我们一行一行介绍：
    第一行：
    10:59:28 指明当前时间；up  1:49 指明自开机至此的系统运行时间；2 users 指明系统使用者个数；
    load average: xxx 指明 1/5/15 分钟内的平均负载情况 (即系统平均需要运行几个进程)。
    第二行：
    各字段含义比较清晰，指明系统共计多少进程，多少处于运行状态，多少处于运行状态，...。
    第三行：
    该行从各个方面总体评估 CPU 的使用情况，即哪些方面占用了多少 CPU。
    us(user) 表示用户空间的 CPU 使用情况；sy(system) 表示系统空间的 CPU 使用情况；
    ni(niceness) 表示修改过优先级的进程的 CPU 使用情况；id(idle) 表示空闲 CPU 的使用情况； 
    wa(wait) 表示 I/O 等待的 CPU 使用情况；hi(hard interrupt) 表示硬中断的 CPU 使用情况；
    si(soft interrupt) 表示软中断的 CPU 使用情况； 
    st(stole time) 表示分配给当前虚拟机的 CPU 时间中，被本机其他虚拟机所偷用的 CPU 使用情况。
    第四行：
    各字段含义比较清晰，指明系统的内存总量、空闲内存量、已用内存量和用作 buff 的内存量。
    第五行：
    与第四行各字段类似，只不过指的是内存交换空间的相关指标。
    第六行：
    PR 与上方的 PRI 同义；VIRT 指明该进程所用的内存总量，包括 Mem + Swap；
    RES 指明该进程真实使用的 Mem 之中的内存量；SHR 指明该进程所用的共享内存量；

    默认情况下，指令 top 以 PID 排序侦测结果。若需按照内存使用率或 CPU 使用率进行排序，可在侦测页面中输入 M 或 C。

  • pstree

    该指令能够将各进程按照父子关系组织成为一棵树。

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    systemd─┬─ModemManager───2*[{ModemManager}]
            ├─ ***
            ├─sshd───sshd───sshd───bash─┬─pstree
            │                           └─vim
            ├─ ***

    从中可以看到进程 systemd 为所有进程的唯一父进程。

  • kill/killall

    该指令可向特定进程发送特定 signal，以启动、终止、重启该特定进程。

    常见 signal：SIGHUP (启动被终止的进程)、SIGKILL (强制终止进程)、SIGSTOP (暂停进程)。

最后简单介绍若干查看系统资源的指令：

  • free –> 查看系统内存使用情况。
  • uname –> 查看系统与核心相关参数信息。
  • uptime –> 查看系统启动时间与工作负载情况。
  • netstat –> 查看网络与 port 使用的相关信息。
  • dmesg –> 查看核心所产生的讯息。
  • vmstat –> 动态侦测系统资源的使用情况。

服务

服务，通常也称为 “daemons”，即一直处于运行状态的进程，它能向外界提供一种功能。

在此，我们介绍两种服务，一种与例行性工作调度相关，一种与日志记录相关。

在 Linux 系统中，存在两种例行性工作调度：突发型 (即某个特定时间点执行，它借助于 atd 服务而存在，使用指令 at 可定义此类任务)、循环型 (即定期执行，它借助于 crond 服务而存在，使用指令 crontab 可定义此类任务)。

对于 at 和 cron 而言，分别存在 xx.allow 和 xx.deny 以限制所定义的任务是否可被执行，另外使用者所创建的任务分别被放置于 /var/spool/at 和 /var/spool/cron 之中。

值得说一下的是：crond 服务通常也为系统所使用，在 /etc/crontab 配置文件中，其中定义了若干周期性执行 /etc/cron.d/* 中脚本 (其脚本功能可能是更新 locate 数据库，也可能是轮替日志文件) 的任务。

另外，考虑一种场景：假定某任务每周日晚上执行，但是某周六系统停电，电脑关机，自然该任务这周日不会执行。周一启动系统后，时间已经过期，crond 自然会等到本周日晚上才执行此任务，然而如果该任务比较重要的话，最好还是周一就执行一次。为解决这个问题，anacron 进程被启用，它会自动判断哪些任务逾期未执行，然后自动执行它们。

十分有意思的是：anacron 由 crond 控制而周期执行，anacron 又会反过来判断各任务是否逾期未完成。

在 Linux 系统中，日志记录主要分为两部分：一部分由 systemd-journald 提供，系统启动之初的各种日志信息均会由此记录；一部分由 rsyslog 提供，它会记录系统运行期间各进程的日志信息，普通程序也可基于相关规范将日志信息发与 rsyslog 以供其管理。

各种日志文件通常均位于 /var/log 之中。

随着系统的运行，日志文件将会越来越大，那么就存在 logrotate 这一服务，它会基于 /etc/logrotate.conf 及 /etc/logrotate.d/* 中配置文件内容，按照特定方式轮替日志文件 (以某种格式备份当前所用日志文件，随后清空当前所用日志文件。另外，过早的日志文件可能会被自动清除)。

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