《Linux性能及調優指南》－－－－1.1 Linux進程管理
翻譯：飛哥 ( http://hi.baidu.com/imlidapeng )
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原文名稱：《Linux Performance and Tuning Guidelines》
原文地址：http://www.redbooks.ibm.com/abstracts/redp4285.html
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1.1.1 進程是什麽？
1.1.2 進程生命周期
1.1.3 線程
1.1.4 進程優先級和Nice值
1.1.5 上下文交換
1.1.6 中斷處理
1.1.7 進程狀態
1.1.8 進程內存段
1.1.9 CPU調度器
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進程管理對於任何一個操作系統來說都是最重要的任務之一。高效的進程管理能保證應用平穩有效的運行。linux的進程管理與UNIX十分相似。它包括進程調度、中斷處理、信號發送、進程優先級、進程切換、進程狀態、進程內存等。在本章節中，我將討論Linux進程管理的原理。它能幫助你更好的了解Linux內核是怎樣管理進程來影響系統性能的。
1.1.1 進程是什麽？
進程就是執行程序運行在處理器上的一個實例。進程可以使用Linux內核所能控制的任何資源來完成它的任務。所有運行在Linux操作系統上的進程都使用一個名叫task_struct的結構來管理，這個結構亦被稱作進程描述符【Process Descriptor】。進程描述符包括進程運行的所有信息如進程ID、進程屬性和構建這個進程所需要的資源。如果你清楚進程的結構，就能了解到什麽對於 進程執行和效能來說是重要的。圖1-2展現了進程結構的概要。
圖 1-2 task_struct結構
1.1.2 進程生命周期
每個進程都有自己的生命周期如創建、執行、結束和消除。這些階段在系統啟動運行中會被重復無數次。因此從性能角度來看進程生命周期是極其重要的。圖1-3展示進程典型的生命周期
圖1-3進程典型的生命周期
當進程創建一個新的進程，創建進程（父進程）發出fork()系統調用。當一個fork()系統調用被發出，它將得到一個關於新進程（子進程）的進
程描述符並設置一個新的進程ID。它會將父進程的進程描述符中所有數據復制到子進程。此時父進程的整個地址空間並沒有被復制的，所以父子進程會共享相同的
地址空間。exec()系統調用會復制一個新的程序到子進程的地址空間。因為父子進程共享相同的地址空間，所以當新程序寫入數據時會導致分頁錯誤【page
fault】的例外發生。這時候內核會分配給子進程一個新的物理分頁。這個推遲的操作被叫做寫時復制
1.1.3 線程
線程是由一個單獨進程產生的執行單元。它與同一進程中的其他線程並行運行。它們能共享同一資源如內存、地址空間、打開的文件等。它們能訪問同樣一組 應用數據。線程也被稱作輕量級進程 （Light Weight Process LWP）。因為它們共享資源，線程不可以在同一時間修改它們共享的資源。互斥的實現、鎖、序列化等是用戶應用的職責。從性能角度來說，創建線程要比創建進程的開銷小，因為線程在創建時不需要復制資源。另一方面，進程和線程在調度算法方面上有很多相似的特性。內核在 處理它們時都使用類似的方法。
圖1-4 進程和線程
在目前Linux的實現中，線程支持可移植操作系統接口（POSIX）。在Linux操作系統中有幾種線程的實現。下面列舉幾種最常使用的線程實 現。
? LinuxThreads
LinuxThreads自從Linux內核2.0就被作為默認的線程實現。但LinuxThread有許多實現與POSIX標準不兼容。 Native POSIX Thread Library（NPTL）正在取代LinuxThreads。在未來的Linux企業發行版中將不在支持LinuxThreads。
? Native POSIX Thread Libray（NPTL）本地POSIX線程庫
NPTL最初是由Red Hat開發。NPTL與POSIX標準更加兼容。利用2.6內核增強特性如新的系統調用clone()、信號處理實現等，它可以提供較 LinuxThreads更好的性能和伸縮性。
NPTL與LinuxThreads有很多的不兼容之處。一個應用如果依賴於LinuxThreads，可能在NPTL實現中無法工作。
? Next Generation POSIX Thread（NGPT）下一代POSIX線程
NGPT是IBM開發的POSIX線程庫的版本。目前處於維護階段，未來也沒有開發計劃。
使用LD_ASSUME_KERNEL環境變量，你可以設定應用使用哪個線程庫。
1.1.4 進程優先級和Nice值
進程優先級 【Process priority】是一個數值，用來讓CPU根據動態優先級和靜態優先級來決定進程執行的順序。一個高優先級的進程可以獲得更多在處理器上運行的機會。內核會根據進程的行為和特性使用試探算法【Heuristic Algorithm】來動態調高和調低動態優先級。用戶進程可以通過進程Nice 的 值間接改變靜態優先級。靜態優先級高的進程可以獲得較長的時間片【Time Slice】（進程能運行在處理器有多長時間）。
Linux中Nice值範圍為19（最低優先級）到-20（最高優先級），默認值為0。要將Nice值更改為負數，必須通過登錄或使用su命令由 root執行。
1.1.5 上下文交換【Context switching】
在進程執行過程中，進程信息存儲在處理器的寄存器和緩存中。這組為執行中進程而載入寄存器的數據被稱作上下文 【Context】。 為切換進程，當前執行中進程的上下文會被暫存，下一個執行進程的上下文會被還原到寄存器，進程描述符和內核模式堆棧【Kernel mode stack】的區塊會被用來存儲上下文，這個交換過程被叫做上下文交換【Context Switching】。發生過多的上下文交換是不好的，因為處理器每次都要刷新寄存器和緩存為新進程讓出資源，這會導致性能上的問題。圖1-5 說明了上下文交換是怎樣工作的。
1.1.6 中斷處理
中斷處理是優先級最高的任務之一。中斷通常是由I/O設備產生的如網卡、鍵盤、硬盤控制器、串行適配器等。中斷控制會向內核發送一個事件通知（如鍵 盤輸入、以太幀到達等），它指示內核中斷執行中的進程並盡快處理中斷，因為大多數設備需要快速的回應，這對系統性能是很關鍵的。當一個中斷信號到達內核 時，內核必須切換當前執行的進程到處理中斷的新進程，這意味著中斷會觸發上下文交換，因此大量的中斷可以導致系統性能的下降。
在Linux中，有兩種類型的中斷。一種為硬中斷 【Hard Interrupt】，是由需要回應的設備產生的（硬盤I/O中斷、網絡適配器中斷，鍵盤中斷，鼠標中斷）。另一種為軟中斷 【Soft Interrupt】，用於可以延後執行的任務（TCP/IP操作，SCSI協議操作等）。你可以在/proc/interrupts 中 查看到有關硬中斷的信息。
在多處理器環境下，每個處理器都可以用來處理中斷。將中斷綁定到某一個物理處理可以提升系統的性能。要了解更詳細的內容，請參考4.4.2“關於中 斷處理的CPU親和力【CPU Affinity】”。
1.1.7 進程狀態
每個進程都有它自己的狀態，來顯示進程當前的情況。在進程執行過程中其狀態會發生變化。可能狀態有如下幾種：
? TASK_RUNNING【運行中】
此狀態表示進程正運行在CPU上或在隊列中等待運行（運行隊列【Run Queue】）。
? TASK_STOPPED【停止】
當進程接收到某些信號（例如SIGINT、SIGSTOP）後被暫停就處於此種狀態，該等待的進程在收到恢復信號如SIGCONT後會重新投入運 行。
? TASK_INTERRUPTIBLE【可中斷】
在這種狀態下，進程被暫停運行，等待某些狀態的達成。如果一個處於可中斷狀態的進程收到停止的信號，將變更進程的狀態並中斷操作。可中斷狀態進程的 一個典型例子就是等待鍵盤的輸入。
? TASK_UNINTERRUPTIBLE【不可中斷】
此狀態基本上與可中斷狀態十分相似。但可中斷狀態進程可以被中斷，而向一個不可中斷進程發送信號卻不會有任何反應。不可中斷狀態進程的一個典型例子 就是等待硬盤I/O操作。
? TASK_ZOMBIE【僵屍】
在進程使用系統調用exit() 退出後，其父進程就會知道。僵屍狀態的進程會等待父進程通知其釋放所有的數據結 構。
圖1-6 進程狀態
僵屍進程
當一個進程收到信號並已經終止，它通常需要一些時間來完成結束前的所有任務（如關閉打開的文件）。在這個通常很短的時間裏，該進程就是一個僵 屍 （Zombie）。
當進程完成所有的關閉任務後，它會向父進程報告其即將終止。但有時僵屍進程並不能將自己終止，在這種情況狀態會顯示為（Zombie）。
使用kill命令是不可能結束這樣一個進程的，因為這個進程被認為已經死掉了。如果你不能清除僵屍，你可以結束其父進程，這樣僵屍也會隨之消失。然 而如果父進程是init進程，你就不可以結束它，因為init進程是一個極為重要的進程。因此你可能需要重新啟動系統來清除這個僵屍進程。
1.1.8 進程內存段
一個進程需要使用自己的內存區域來執行工作。工作的變化隨情況和進程用法而定。一個進程可以有不同的工作負載特性和不同的數據大小的需求，進程需要 處理數據的大小多種多樣。為了滿足這樣的需求，Linux內核使用動態內存分配機制。進程內存分配結構如圖1-7。
圖1-7 進程地址空間
進程的內存區有幾部分組成
? 文字段
用來存儲執行代碼。
? 數據段
數據段由三塊區域組成。
― 數據【Data】：存儲已初始化數據如靜態變量。
― BSS ：存儲零初始化的數據，數據被初始化為零。
― 堆【Heap】：這塊區域由malloc()用來按需要分配動態內存。堆向高地址擴張。
? 堆棧段
用來存儲本地變量、函數參數、函數返回地址。堆棧段向低地址擴張。
使用pmap 命令可以顯示用戶進程地址空間的內存分配。你可以使用ps 命令 顯示此內存段的大小。參考2.3.10“pmap”和2.3.4“ps和pstree”。
1.1.9 Linux CPU調度器
計算機的基本功能非常簡單就是計算。為了計算，這就意味要管理計算資源或處理器和計算任務（被稱作線程或進程）。Linux內核使用與過去CPU調 度器使用的算法O(n)截然不同的O(1)算法,這要感謝Lngo Molnar的巨大貢獻。O(1)指的是一種靜態算法，意思就是不管進程的數量有多少，進程的執行時間都是不變的。
這種新的調度器的擴展性非常好，不管進程的數量或處理器的數量有多少，系統的開銷都是非常小的。此算法中使用到兩個進程優先級數組：
? 活動的【Active】
? 過期的【Expired】
調度器根據進程的優先級和優先攔截率【Prior Blocking Rate】分配時間片，然後它們被以優先級順序置於活動數組【Active Array】中。當時間片耗盡，它們會被分配一個新的時間片並置於過期數組中。當活動數組中所有進程的時間片都全部耗盡，兩個數組會被互換並重新執行。對 於交互進程（相對於實時進程），擁有長時間片的高優先級進程可以得到比低優先級進程更多的時間，但這並不意味著低優先級的進程會被置之不理。在企業環境 中，擁有很多的處理器並經常出現大量的線程和進程，這樣做可以大大提升Linux內核的伸縮性。新的O(1)CPU調度器被設計用於2.6內核，但已被移 植到2.4內核家族。圖1-8說明了Linux CPU調度器是怎樣工作的。
圖1-8 Linux 2.6內核 O(1)調度器
新調度器另一個大的改進就是支持非一致性內存架構（NUMA）和對稱多線程處理器，如Intel超線程技術。改良後的NUMA支持確保只有當某個節點過載時，負載平衡才會跨越NUMA節點。This mechanism ensures that traffic over the comparatively slow scalability links in a NUMA system are minimized。盡管在每個調度節拍【tick】時負載平衡會遍歷調度域群組【Scheduler Domain Group】中的處理器，但只有在節點過載並請求負載平衡時，負載才會跨越調度域【Scheduler Domain】轉移。
圖1-9 O(1) CPU調度器結構
譯者註：在翻譯過程中，深深的感覺到進程調度是一項非常復雜的工作。如果想深入了解2.6內核進程調度還需要多多查看相關資料，下面是一些 關於2.6內核進程調度的文章，有興趣的朋友不妨看看。
Linux 2.6 調度系統分析：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-kn26sch/index.html
Linux 的 NUMA 技術：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-numa/index.html
Linux Scheduling Domains：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-schldom/index.html
Inside the Linux scheduler：http://www.ibm.com/developerworks/linux/library/l-scheduler/
《Linux性能及調優指南》－－－－1.1 Linux進程管理