本文为宋宝华《Linux的进程、线程以及调度》学习笔记。

1 进程概念

1.1 进程与线程的定义

操作系统中的经典定义:

进程:资源分配单位。

线程:调度单位。

操作系统中用PCB(Process Control Block, 进程控制块)来描述进程。Linux中的PCB是task_struct结构体。

1.2 进程生命周期

1.2.1 进程状态

R, TASK_RUNNING:就绪态或者运行态,进程就绪可以运行,但是不一定正在占有CPU

S, TASK_INTERRUPTIBLE:浅度睡眠,等待资源,可以响应信号,一般是进程主动sleep进入的状态

D, TASK_UNINTERRUPTIBLE:深度睡眠,等待资源,不响应信号,典型场景是进程获取信号量阻塞

Z, TASK_ZOMBIE:僵尸态,进程已退出或者结束,但是父进程还不知道,没有回收时的状态

T, TASK_STOPED:停止,调试状态,收到SIGSTOP信号进程挂起

1.2.2 进程创建与消亡相关API

1) system()

通过调用shell启动一个新进程

2) exec()

以替换当前进程映像的方式启动一个新进程

3) fork()

以复制当前进程映像的方式启动一个新进程,子进程中fork()返回0,父进程fork()返回为子进程ID。

4) wait()

父进程挂起,等待子进程结束。

5) 孤儿进程与僵尸进程

孤儿进程:一个父进程退出,而它的一个或多个子进程还在运行,那么那些子进程将成为孤儿进程。孤儿进程将被init进程(进程号为1)所收养,并由init进程对它们完成状态收集工作。孤儿进程不会浪费资源。

僵尸进程:一个进程使用fork创建子进程,如果子进程退出,而父进程并没有调用wait或waitpid获取子进程的状态信息,那么子进程的进程描述符仍然保存在系统中。这种进程称之为僵尸进程。僵尸进程浪费系统资源(进程描述符task_struct存在,进程占用的资源被回收,不存在内存泄漏,实际上基本不浪费系统资源,参宋宝华的课程)。

避免僵尸进程:

僵尸进程产生原因:

1、子进程结束后向父进程发出SIGCHLD信号,父进程默认忽略了它;

2、父进程没有调用wait()或waitpid()函数来等待子进程的结束。

避免僵尸进程方法:

1、父进程调用wait()或者waitpid()等待子进程结束,这样处理父进程一般会阻塞在wait处而不能处理其他事情。

2、捕捉SIGCHLD信号,并在信号处理函数里面调用wait函数,这样处理可避免1中描述的问题。

3、fork两次,父进程创建儿子进程,儿子进程再创建一个孙子进程,然后儿子进程自杀,孙子进程成为孤儿进程被init进程收养。

1.3 进程间通信

1) 信号

信号这里指的是事件。比如按CTRL-C组合键会发送SIGINT信号,进程里可以捕捉到这个信号进行相应处理。

2) 管道PIPE

一切皆文件,管道的操作也是类似文件的操作。

popen()函数类似于fopen()函数,返回的是对象指针。

pipe()函数类似于open()函数,返回的是对象描述符。

管道是在亲属进程(同一父进程创建出的进程)之间进行数据传输的。

3) 命名管道FIFO

命名管道可用于在无亲属关系之前是进程间通信。

mkfifo()/mknod()将在文件系统中创建一个有路径和名称的文件。把这个管道文件当作普通文件用就行了,就可以实现进程间通信。

4) 信号量

信号量、消息队列、共享内存是System V IPC机制。

临界区:任何时刻只能有一个进程进行独占式访问的代码区。

信号量:大部分进程间通信只需要二进制信号号,因此这里只讨论二进制信号量。进入临界区前,执行P操作(若信号量大于1则减1并进入临界区,否则挂起本进程);退出临界区时,执行V操作(若有进程在等待挂起则唤醒之,否则信号量加1)。

互斥量:互斥信号量是二进制信号量的一个子集。

5) 消息队列

与命令管道类似,但不必考虑打开/关闭管道的复杂操作。消息队列独立于进程而存在。

6) 共享内存

需要通信的进程间共享一块内存进行数据交换。

2 进程线程的实现本质

Linux调度器实际是识别task_struct进行调度。

无论进程线程,底层都对应一个task_struct,进程和线程的区别是共享资源的多少,两个进程间完全不共享资源,两个线程间共享所有资源。

2.1 fork()

执行fork后,父进程的task_struck对拷给子进程,父子进程最初资源完全一样,但是两份不同拷贝,因此任何改动都造成二者的分裂。

父子进程对内存资源(mm)的管理使用了COW(Copy-On-Write, 写时拷贝)技术:

  1. 在fork之前,一片内存区对应一份物理地址和一份虚拟地址,内存区的权限的RW;
  2. 在fork之后,父子进程看到的内存区虚拟地址相同,物理地址也相同,父子进程使用的其实是同一片物理内存,未发生内存拷贝,操作系统会将此内存区权限改为RO;
  3. 父或子进程对内存区执行写操作将触发PageFault,操作系统此时会将内存区拷贝一份,父子进程看到的虚拟地址仍然一样,但是物理地址已经不则。各进程虚拟地址到物理地址的映射由MMU(Memory Management Unit, 内存管理单元)管理。

fork运行在有MMU的CPU上。

2.2 vfork()



对于无MMU的CPU,无法应用COW,无法支持fork。

无MMU的CPU使用vfork创建进程,父进程将一直阻塞直到子进程exit或exec。

vfork和fork的本质区别是,vfork中的父子进程共用同一片内存区。

2.3 pthread_create()



Linux线程本质上就是进程,只是线程间共享所有资源。如上图所示。

每个线程都有自己的task_struct,因为每个线程可被CPU调度。多线程间又共享同一进程资源。这两点刚好满足线程的定义。

Linux就是这样用进程实现了线程,所以线程又称为轻量级进程。

2.4 PID和TGID



POSIX要求,同一进程的多个线程获取进程ID是得到的是唯一ID值。

Linux同一进程的多线程,在内核视角实际上每个线程都有一个PID,但在用户空间需要getpid返回唯一值,Linux使用了一个小技巧,引入了TGID的概念,getpid()返回的的TGID值。

进程视角的top命令:

不带参数的top命令(默认情况),显示的是进程对单核CPU的利用率,例如,一个进程内有三个线程,主线程创建了线程1和线程2,线程1和线程2都调用一个while(1),则对双核CPU而言,线程1和线程2各用一个核,占用率都是100%,则top命令看到的进程CPU利用率是200%,进程ID是主线程的PID(也是TGID)。

线程视角的top命令:

top –H命令从线程视角显示CPU占用率,上例中,将会显示,线程1占用率100%,线程2占用率100%。

说线程的PID,是指用户空间的进程ID,值就是TGID;当特别指出,线程在内核空间的PID,则指线程在内核中task_struct里特有的PID。

3 进程调度

3.1 实时进程调度

SCHED_FIFO:不同优先级按照优先级高的先跑到睡眠,优先级低的再跑;同等优先级先进先出。

SCHED_RR:不同优先级按照优先级高的先跑到睡眠,优先级低的再跑;同等优先级轮转。

内核RT补丁:

/proc/sys/kernel/sched_rt_period_us

/proc/sys/kernel/sched_rt_runtime_us

在period的时间里RT最多只能跑runtime的时间

3.2 普通进程调度

SCHED_OTHER:

3.2.1 动态优先级(早期2.6)

进程有IO消耗性和CPU消耗型两种衡量参数。

优先级高的意味着:1) 得到更多的时间片,2) 醒时能抢占优先级低的。时间片轮转。

内核存储静态优先级,用户可通过nice来修改静态优先级。

进程的动态优先级则是根据静态优先级实时计算出来的,调度算法奖励IO消耗性(调高优先级增加实时性)、处罚CPU消耗型(调低优先级减小实时性)

3.2.2 CFS:完全公平调度(新内核)

红黑树,左边节点小于右边节点的值

运行到目前为止vruntime最小的进程

同时考虑了CPU/IO和nice

总是找vruntime最小的线程调度。

vruntime = pruntime/weight × 1024;

vruntime是虚拟运行时间,pruntime是物理运行时间,weight权重由nice值决定(nice越低权重越高),则运行时间少、nice值低的的线程vruntime小,将得到优先调度。这是一个随运行而动态变化的过程。

工具chrt和renice:

设置SCHED_FIFO和50 RT优先级
# chrt -f -a -p 50 10576
设置nice
# renice -n -5 -g 9394
# nice -n 5 ./a.out

4 多核负载均衡

5 参考资料

[1] 宋宝华,Linux进程、线程和调度

[2] https://blog.csdn.net/sdkdlwk/article/details/65938204

[3] https://blog.csdn.net/kklvsports/article/details/52268085

[4] https://blog.csdn.net/qq_20218109/article/details/52078076

[5] https://www.cnblogs.com/yuxingfirst/p/3165407.html

Linux的进程线程及调度的更多相关文章

  1. [转帖]Linux的进程线程及调度

    Linux的进程线程及调度 本文为作者原创,转载请注明出处:https://www.cnblogs.com/leisure_chn/p/10393707.html 本文为宋宝华<Linux的进程 ...

  2. Linux查看进程线程个数

    1.根据进程号进行查询: # pstree -p 进程号 # top -Hp 进程号 2.根据进程名字进行查询: # pstree -p `ps -e | grep server | awk '{pr ...

  3. Linux下进程线程,Nignx与php-fpm的进程线程方式

    1.进程与线程区别 进程是程序执行时的一个实例,即它是程序已经执行到课中程度的数据结构的汇集.从内核的观点看,进程的目的就是担当分配系统资源(CPU时间.内存等)的基本单位. 线程是进程的一个执行流, ...

  4. Linux内核——进程管理与调度

    进程的管理与调度 进程管理 进程描写叙述符及任务结构 进程存放在叫做任务队列(tasklist)的双向循环链表中.链表中的每一项包括一个详细进程的全部信息,类型为task_struct,称为进程描写叙 ...

  5. Linux的进程/线程间通信方式总结

    Linux系统中的进程间通信方式主要以下几种: 同一主机上的进程通信方式 * UNIX进程间通信方式: 包括管道(PIPE), 有名管道(FIFO), 和信号(Signal) * System V进程 ...

  6. Linux的进程/线程通信方式总结(转)

    Linux系统中的进程通信方式主要以下几种: 同一主机上的进程通信方式 * UNIX进程间通信方式: 包括管道(PIPE), 有名管道(FIFO), 和信号(Signal) * System V进程通 ...

  7. [转载]了解Linux的进程与线程

    本文转自Tim Yang的博客http://timyang.net/linux/linux-process/ .对于理解Linux的进程与线程非常有帮助.支持原创.尊重原创,分享知识! 上周碰到部署在 ...

  8. linux常见进程与内核线程

    发现大量jdb2进程占用io资源.jdb2进程是一个文件系统的写journal的进程 kthreadd:这种内核线程只有一个,它的作用是管理调度其它的内核线程.它在内核初始化的时候被创建,会循环运行一 ...

  9. Linux下进程的创建过程分析(_do_fork do_fork详解)--Linux进程的管理与调度(八)

    Unix标准的复制进程的系统调用时fork(即分叉),但是Linux,BSD等操作系统并不止实现这一个,确切的说linux实现了三个,fork,vfork,clone(确切说vfork创造出来的是轻量 ...

随机推荐

  1. windows powershell

    今天用了一条命令: dism /online /add-package /packagepath:c:xxxx.cab

  2. windows内核对象管理学习笔记

    目前正在阅读毛老师的<windows内核情景分析>一书对象管理章节,作此笔记. Win内核中是使用对象概念来描述管理内核中使用到的数据结构.此对象(Object)均是由对象头(Object ...

  3. mysql c-api 预处理语句

    stmt = mysql_stmt_init(mysql) mysql_stmt_prepare(stmt, "SELECT ?", strlen("SELECT ?&q ...

  4. 复制命令(XCOPY)

    XCOPY 命令: // 描述: 将文件或目录(包括子目录)从一个位置复制到另一个位置. // 语法: Xcopy <Source> [<Destination>] [/w] ...

  5. bootstrap添加遮罩层loadingmask

    转自:https://blog.csdn.net/baidu_30809315/article/details/83900255 gif动态图下载地址:http://blog.sina.com.cn/ ...

  6. git stash错误小记

    git出错小记 想要push代码,我们经常这样做. 1.查看状态 git status 2.隐藏本地编辑的新内容 git stash 3.拉远程的代码 git pull 这一步操作有的时候会报错,没有 ...

  7. s32 kickstart 批量自动安装系统

    1. 自动安装操作系统 http://blog.oldboyedu.com/autoinstall-kickstart/   自动安装操作系统的解决方案:kickstart.cobbler(披着web ...

  8. Django的一些隐性经验

    隐性经验 前后信息的沟通 url中的参数 get获取 这个参数可以写在URL当中(可以写多个,写在这里的get函数需要有相应的参数去获取).,也可以在模版中添加(通过?若是直接写则表示在当前的URL中 ...

  9. noip第20课资料

  10. Linux 线程编程1.0

    在编译多线程程序的时候,需要连接libpthread文件: gcc pthread.c  -o  pthread  -lpthread: 所有线程一律平等,没有父子关系,线程属于进程. 创建线程用 p ...