（1）Linux性能调优之Linux进程管理

1、背景

玩过一段时间Linux后，你们是否发现Linux也就是一个操做系统而已，和windows是相似的，只不过是windows拥有图形化界面，而Linux大部分状况下只是个黑黑的窗口。windows多用于我的，而Linux由于出色的性能而多用于服务器。

服务器不是智能的，Linux也不是智能的，因此须要运维人员经过调试，将服务器的硬件和Linux的特性结合起来，从而达到性能最大输出，这就是我理解的Linux性能调优。下面展现的是一张服务器和Linux系统结合的概览图：

2、基础知识

调优不是说调就调的，咱们要先了解Linux是如何处理任务以及与硬件资源进行交互的。性能调优须要在深入理解硬件资源、操做系统和应用程序的基础上进行。下面说一下在Linux中和性能关系最密切的几个部分。

3、Linux进程管理

• 3.1 什么是进程？

进程是在处理器中执行的实例，Linux内核调度各种资源来知足进程的需求。个人理解是，应用程序是存储硬盘上的数据，经过程序入口将应用程序装载到内存运行起来后就生成了一个进程（运行中的程序）。进程会使用各类资源，如CPU,键盘鼠标，处理器，硬盘等，而这些工做由Linux内核调度，以知足各个进程间的协同，竞争等。

Linux的进程管理方式相似于Unix的进程管理方式，包含进程调度、中断处理、信号、进程优先级、进程切换、进程状态、进程的内存等等

全部运行在Linux操做系统的进程都被task_struct这个结构体管理，task_struct也被称为进程描述符。进程描述符包含一个进程运行所需的全部信息，好比进程的id、进程的属性以及构建进程的资源。

下图展现了进程信息相关结构的概览：

• 3.2 进程的生命周期

每一个进程都有本身生命周期，好比建立、执行、终止和删除。在系统运行过程当中，这些阶段反复执行成千上万次。所以，从性能的角度来看，进程的生命周期十分重要。

下图展现了通常进程的生命周期：

当一个进程建立一个新的进程，建立进程的进程（父进程）使用名为fork()的系统调用。当fork()被调用的时候，它会为新建立的进程（子进程）得到一个进程描述符，而且设置新的进程ID。复制父进程的进程描述符给子进程。这时候，不会复制父进程的地址空间，而是父子进程使用一样的地址空间。

exec()系统调用把新程序复制到子进程的地址空间。因为共享一样的地址空间，写入新进程的数据会引起页错误的异常。此时，内核给子进程分配新的物理页。这个延迟的操做叫作Copy On Write。子进程和父进程执行的程序一般不同，它执行本身的程序。这个操做避免了没必要要的开销，由于，复制整个地址空间是很慢且低效率的，还会消耗不少的处理器时间和资源。

当程序执行完成，子进程使用exit()系统调用终止。exit()会释放进程的大部分数据结构，而且把这个终止的消息通知给父进程。这时候，子进程被称为zombie process(僵尸进程)。直到父进程经过wait()系统调用知悉子进程终止以前，子进程都不会被彻底的清除。一旦父进程知道子进程终止，它会清除子进程的全部数据结构和进程描述符。

• 3.3 线程

说到进程不得不提的就是线程了。线程是单个进程中生成的执行单元。多个线程在同一个进程中并发运行。它们共享内存、地址空间、打开文件等等资源。还能访问一样的应用数据集。线程也被称为轻量级进程（Light Weight Process）。因为线程间共享资源，线程不能同时改变它们共享的资源。互斥、锁、序列化等等都是由用户应用程序来实现。

从性能的角度看，建立线程比建立进程更加低消耗，由于建立线程不须要复制资源。另外一方面，从进程和线程在调度上看，他们拥有类似的行为。内核用相似的方法来处理他们。

下图是进程和线程的简单对比：

在当前的Linux实现中，线程由POSIX（Portable Operating System Interface for UNIX，可移 植操做系统接口）的兼容库(pthread)提供。Linux支持多线程。

• 3.4 进程优先级和nice级别

进程优先级由动态优先级和静态优先级决定，它是决定进程在CPU中执行顺序的数字。优先级越高的进程被处理器执行的机会越大。

根据进程的行为，内核使用启发式算法决定开启或关闭动态优先级。能够经过nice级别直接修改进程的静态优先级，拥有越高静态优先级的进程会得到更长的时间片（时间片是进程在处理器中的执行时间）。

Linux支持的nice级别从19（最低优先级）到-20（最高优先级），默认只是0。只有root身份的用户才能把进程的nice级别调整为负数（让其具有较高优先级）。

• 3.5 切换上下文

在进程执行过程当中，进程的信息存放在处理器的寄存器和缓存中。这部分执行中进程存放在寄存器中的数据就叫作context，上下文。在切换进程中，正在处理的进程上下文被保存起来，把下一个要执行的进程的上下文恢复到寄存器。上下文一般存储在进程描述符和内核态栈中。进程切换就叫作上下文切换（context switching）。由于处理器每次上下文切换都要为新进程刷新寄存器和缓存，可能引起性能上的问题，因此应该尽可能避免太多的上下文切换。 下图描述上下文切换是如何工做的：

• 3.6 中断处理

中断处理是最高优先级别的任务之一。中断一般由I/O设备产生，譬如网络接口、键盘、磁盘控制器。中断处理器把键盘输入、网络帧到达这类事件通知给内核，它告诉内核尽快中断进程执行，由于某些设备须要快速的回应。这对系统稳定性是一个挑战。当中断信号到达内核，内核必须切换当前执行中的进程到新的进程，处理中断。这就意味着会发生上下文切换，同时也意味着大量的的中断会致使系统性能降低。

在Linux中有两类中断，硬中断是由设备产生的须要作出响应的中断，例如磁盘I/O中断，网卡中断，键盘和鼠标中断。软中断用于任务处理，能够推迟，例如TCP/IP操做、SCSI协议操做。能够在/proc/interrupts中看到相关的硬中断信息。

• 3.7 进程状态

TASK_RUNNING 在这个状态中，进程正在CPU中执行，或者在运行队列（run queue）中等待运行。

TASK_STOPPED 进程因为特定的信号（如SIGINT、SIGSTOP）而挂起就会处于这个状态，等待恢复信号，好比SINCONT。

TASK_INTERRUPTIBLE 在此状态中，进程挂起而且等待一个特定的条件。假如进程处于TASK_INTERRUPTIBLE状态而且收到一个中止信号，进程状态会发生改变，操做会中断。TASK_INTERRUPTIBLE的典型例子是等待键盘中断。

TASK_UNINTERRUPTIBLE 相似于TASK_INTERRUPTIBLE。当进程处于TASK_INTERRUPTIBLE状态能够被中断，发送一个信号给TASK_UNINTERRUPTIBLE却不会有任何反应。TASK_UNINTERRUPTIBLE最典型的例子是进程等待磁盘I/O操做。

TASK_ZOMBIE 进程在使用exit()系统调用退出之后，父进程应该知道进程终结。在TASK_ZOMBIE状态中，进程在等待父进程收到通知并释放全部的数据结构。

它们之间的关系以下图：

说下僵尸进程：

当进程已经收到信号而终止，正常状况下，彻底结束以前，它有一些时间来完成全部的任务（例如关闭打开的文件）。在这个很短的的正常的时间片里，这个进程是僵尸。

当进程完成了全部的关闭操做， 它向父进程报告它即将终结。有时候，僵尸进程不可以结束它本身，这个状态下，它就显示状态为Z（zombie）。

由于它已经死了，因此不可能使用kill命令杀死这种进程。若是没法摆脱僵尸进程，能够杀死僵尸进程的父进程，这样僵尸进程也会消失。而后，若是僵尸进程的父进程是init，你就别这么作了，init是很是重要的进程，你可能要重启才能摆脱僵尸进程了。

• 3.8 进程内存段

进程使用本身的内存区域处理任务，任务种类由场景和进程用途决定。进程有不一样的工做特性和不一样数据大小要求，进程必须处理各类大小的数据。为知足这一要求，Linux内核给各个进程使用动态内存分配机制。进程内存分配结构以下图：

进程内存区域包含以下段：

文本 ：存储可执行代码的区域
数据 ： 数据段由以下三个区域构成
    Data：存储初始化数据，好比静态变量
    BSS：存储初始化0数据，数据初始化为0
    Heap(堆)：根据须要使用malloc()分配动态内存。堆向高地址空间增加。
栈: 该区域存储局部变量、函数参数和函数的返回地址。栈向低地址空间增加。
复制代码

用户进程的地址空间分配可使用pmap命令显示出来。你可使用ps命令显示总的段大小。

• 3.9 Linux的CPU调度

计算机的最基本功能就是计算，为了实现计算功能，必需要有办法管理计算资源、处理器、计算任务，也就是常说的进程和线程。

下面谈下Linux中CPU调用进程的算法，这个算法使用两个进程优先级数组：

1.active
2.expired
复制代码

因为调度器根据进程的优先级和先前阻塞率来位分配时间片，进程的优先级被放在一个active数组中。当时间片到期，它们被从新分配新的时间片，而且放置到expired数组上。当全部active数组上的进程都到期，active和expired数组发生对换，重启算法。对于通常的交互进程（对应实时进程），高优先级的进程一般会比低优先级进程分配更多的时间片，可是并不意味着彻底不给低优先级进程机会。

以下展现和Linux的CPU调度器是如何工做的:

新调度器的另一个大有有点是支持非均匀内存架构（Non-Uniform Memory Architecture， NUMA）和对称多线程处理器，例如Intel的超线程技术。支持NUMA保证了正常状况下不会出现负载均衡的状况，除非一个节点负担太重。这个机制保证了在NUMA系统中，比较缓慢的链路负载较小。尽管在一个组中的处理器调度的每个处理，会被负载均衡，可是调度器的组只会在节点负载太高和要求负载均衡的时候产生。

4、下一节是？？？

谈完Linux的进程管理，下一节谈一下 Linux的内存体系