Linux进程管理
一、进程相关的基本概念
1. 中断
- 软中断：程序运行过程中，如果需要完成某些特权操作，它就必须向内核申请调用，由内核去判定此操作是否合规，一旦内核通过此申请，此调用功能就将由内核代理并在CPU上运行，此时进程只需等待调用返回即可，待返回结果后即可奔赴下一个流程
2. 进程的模式转换
进程的运行有两个模式，运行自己可执行的代码时叫做用户模式，一旦发生软中断，就会由内核代为执行这段代码段，而由内核代为执行的就叫做内核模式，一个进程运行过程中，可能会不断在两个模式中切换
3. task struct
任务结构体，内核为每一个运行在当前系统上的进程都会创建一个元数据结构，用来保存当前进程的元数据信息，比如运行时长、当前被调度到哪个核心上、占据内存空间等信息，而任务结构体就是为了让内核可以实时追踪到这些信息创建的，多个task struct组成的链接叫做task list
4. 进程的生命周期
- 进程创建：内核初始化完成后，由内核创建第一个进程，通常称为init进程，至此，也就意味着代码执行的内核空间和用户空间已经创建完毕了，后续的所有用户空间的管理工作就由init来完成了，init不能代替内核完成系统调用等一切特权指令的执行，但是像创建进程这样的操作需要由init向内核提交，所以init进程是负责用户空间管理进程的进程，每一个进程都是由init进程或其父进程通过一个系统调用frok()创建的
- 进程终止：任何父进程创建的子进程都要由其父进程销毁
- Cow机制：写时复制机制，父进程通过frok( )创建子进程后，这时子进程与父进程使用同一段内存空间，一旦子进程需要修改数据，内核会重新分配一段内存空间给子进程，父进程通过clone( )把数据复制之，子进程在新的内存空间修改数据，这种机制就叫做Cow，写时复制，如果一个进程不需要写数据，那么同父进程读同一段地址空间也无所谓，但假如需要写数据，就必须创建新的，写时才复制，进程通过这种方式创建与销毁进程的代价会大大降低
5. 进程优先级
通过进程的优先级机制，来判断当cpu空闲时，优先将哪个进程调度到cpu上运行
5.1 优先级等级设计
linux将优先级分为140个等级，每个等级对应着两个队列，分为运行队列和过期队列，首先，内核从高到低进行扫描运行队列，将优先级最高的调度到cpu上运行，运行完毕后在将此进程调度到同等级的过期队列中，过期队列里存放被调度过一次并等待下一次调度的进程，等运行队列里的进程都运行完毕后，再将两个队列调换位置，继续调度
- 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，此级别优先级用户可以调整
5.2 优先级的Nice值
可以通过调整进程的nice值调整优先级，取值范围是-20到19，分别对应着静态优先级中的100-139，普通用户只能将自己启动的进程优先级调低
5.3 抢占式多任务工作模式
虽然说进程调度是基于优先级的，但是优先级较高的进程可以抢占优先级较低进程的cpu时间片，当然也不是随时能抢，在运行的过程中，进程有几个可以抢占的时间点，其他进程可以在这几个时间点去抢占，当然，如果没有进程抢占，那么这个进程就可以将分配的时间片用完
6. 保存现场、恢复现场
为了能保证系统多任务并行，内核就会基于cpu时间片切割机制，不断将进程调度到cpu上运行，但是进程在运行时，势必会产生很多中间数据，我们必须要将进程当前的运行状态保存下来，而进程的当前状态一般在寄存器中，一旦要调度下cpu，内核就需要找个地方将数据保存起来，这个操作就叫做保存现场，等过一段时间，在将此进程调度上来时，同时也需要将它刚才的运行状态也恢复，这就叫恢复现场
7. 进程内存管理
- 虚拟内存实现机制：现代计算机系统中，内存空间都是虚拟的，内核把内存分配成固定大小的片段，每个片段叫页框(page frame)，大小为4K，将空闲的页框分配给进程使用，这些分配的页框极有可能是不连续，是拼凑起来的，所以内核就加一个中间层，把它们逻辑组织成连续的空间，从进程的角度看并使用的空间叫进程的线性地址空间，而真正使用内存空间叫物理地址空间，对linux来说，虚拟内存是整个内核代码中最复杂的一部分
- MMU：(Memory Management Unit)内存管理单元。主要维护线性地址空间与物理地址空间的对应关系，进程访问自己的线性地址时，都是通过MMU去取真正的物理地址中的数据返回给进程
- LRU算法：当物理内存不足的时候，内核就会根据LRU算法(最近最少使用算法)把物理内存的数据挪到交换分区，等进程用到被交换的数据时，内核在根据LRU算法挪出物理空间，将原先交换出去的数据调度到物理内存中，但是新挪到物理内存的数据就会用到新的地址空间，也就意味着之前的线性地址空间与物理地址空间的对应的关系被破坏了，这将由MMU重新进行映射
- 常驻内存集、虚拟内存集：一般来将，进程使用的内存空间中，数据是被可以交换到交换分区的，但是不能把进程的指令交换到交换分区，像指令数据就必须在内存中，这种不可以被交换到交换分区的数据组成的空间叫做常驻内存集，可以被交换出去的数据所组成的空间叫做虚拟内存集。
- 缺页异常：当进程访问数据时，如被访问的数据被已经被交换到交换分区中或没有从文件载入时，这种异常就叫做缺页异常，有大异常和小异常之分
8. 进程间通信(IPC)
Inter-Process Communication，每一个进程运行时都以为只有自己和内核运行在系统中，但是必要时进程和进程之间要通信
8.1 同一主机间进程通信
- singal：信号，可以通过发信号的方式进程通信
- shm：(shared memory),共享内存，指定一段内存空间，一个进程向其中存数据，一个进程从中读数据
8.2 不同主机进程间通信
- rpc机制：(remote procecure call）远程过程调用，类似库调用，只不过这里调用的函数不是本机的，而是另外一台主机的，另外一台主机将执行结果返回
- socket：套接字
9. 进程类型
9.1 分类一
- 守护进程：daemon，跟终端无关，系统开机时启动的进程，类似windows的服务
- 前台进程：跟终端相关，通过终端启动的进程，也可把前台的进程变为以守护模式运行
9.2 分类二：按资源需求分类
- CPU-Bound：需要cpu资源多，此类进程应该多分配cpu
- IO-Bound：需要IO资源多，但是IO类型的进程应该比CPU-Bound类型的进程优先级高一些
10. 进程状态
- 运行态：running，处于运行状态的
- 就绪态：ready，可以运行但正在等待cpu调度的状态
- 睡眠态：
- 可中断睡眠：interruptable，可立即叫醒被调度到cpu运行的
- 不可中断睡眠：uninterruptable，比如进程正在运行，等待数据I/O，数据没有I/O完毕，即使中断进程的睡眠，进程也没有数据可加工
- 停止态：stopped，暂停中的，但不会被调度，除非手动启动
- 僵死态：zombie，进程完成了指定任务，等待其父进程回收资源等操作的状态
二、配置文件
linux系统中/porc目录是用来保存进程运行状态信息的，而每个进程运行的状态信息，均保存在这个进程以其进程号命名的目录
/proc/PID/maps：保存此PID号进程的线性内存地址与物理内存空间的映射关系/proc/PID/cmdline：保存此PID进程的详细运行命令是哪个
三、进程管理命令
1. ps命令
显示当前当前系统上进程状态的快照，输出的为静态信息，意思是说在执行ps命令时，立刻读取了当前进程运行的状态信息并且退出（report a snapshot of the current processes）
命令格式：ps [options]
- 常用组合1
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命令输出输出信息：
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- 常用组合2：
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- 常用组合3
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- 自定义组合
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2. kill命令
向进程发送控制信号，实现对进程的管理
命令格式：kill [option] [-signal|-p] [-q sigval] [-a] [--] pid...
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信号指定方法
- 信号的数字标识：直接使用数字，如1、2
- 信号的完整名称：如SIGHUP、SIGINT
- 信号的简写名称：如HUP、INT
3. killall命令
终止指定名称下的所有进程
命令格式：killall [-SIGNAL] program
program：指定程序名称
4. pgrep、pkill命令
pgrep完成进程显示过滤、pkill可以杀死指定的进程
命名格式：pgrep|pkill [options] pattern
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5. top命令
命令格式：top [option]
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- 排序方式内置快捷键
M：根据内存排序
T：累计占用cpu时长
P：过去1次的刷新时间内，占据cpu百分比排序
s：修改刷新时长
k：杀死指定进程 - 首行信息显示快捷键
l：首行运行时间是否显示
1：cpu详细信息
t：task和cpu的显示格式
m：显示内存信息 - 顶部输出信息
top：当前系统时间
up：运行时长
user：当前系统登录的用户数
load average：过去1分钟、5分钟、15分钟的平均负载，cpu队列中等待运行任务的个数
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Tasks：当前系统的进程数
running：处于运行状态的进程数
sleeping：睡眠状态的进程数
stopped：停止状态的进程数
zomble：僵死状态的进程数
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us：用户空间程序占据的百分比
sy：内核空间程序占据的百分比
ni：调整nice占据的时间
id：空闲比例
wa：wait，等待I/O完成的时间
hi：硬中断消耗的时间百分比
si：软终端消耗的时间百分比
st：被虚拟化技术偷走的时间
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total：物理内存的总大小
free：空闲内存总大小 - 列表首行输出信息
SHR：共享内存大小
PR：优先级
VIRT：虚拟内存集
RES：常驻内存集
NI：nice值
S：当前运行状态
%CPU：占据的cpu比例
%MEM：占据的内存比例
TIME+：累计运行时长
6. htop命令
htop命令较top命令功能要强大的多，进入命令后可按F1键获取帮助，以下列举几个常用的功能
- 内置快捷键
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7. vmstat命令
用来显示虚拟内存的状态信息
命令格式：vmstat [options] [delay [count]]
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8. dstat命令
命令格式：dstat [-afv] [options..] [delay [count]]
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9. pmap命令
用于显示指定进程的内存映射表
命令格式：pmap [options] pid [...]
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10. glances命令
命令格式：glances [OPTIONS]
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11. pidof命令
根据进程名获取pid
命令格式：pidof PID_NAME
12. pstree命令
已树状形式显示进程信息，安装命令的包是psmisc
四、进程优先级调整
nice值的取值范围是-19到20，分别对应100和139，普通用户只能将nice至调低，进程默认启动的nice值为0，优先级为120
1. nice命令
启动进程是以指定优先级运行
命令格式：nice [OPTION] [COMMAND [ARG]...]
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2. renice命令
改变运行状态进程的nice值
命令格式：renice [-n #] pid
3. 查看进程优先级
命令格式：ps axo pid，comm，ni
五、小tips
1. Big O算法
算法复杂度评价标准，当一个算法处理的数据增加时，与需要花费时间比值的走势
O(1):无论数据量多大，处理的时间是恒定的
O(LogN)：刚开始急剧增加，慢慢平缓
O(n)：与复杂度成正比
O(n^2)：比O(n)低一级别
O(2^n)：数据的微小增加，需要的时间急剧增大
某信
某付宝