[Linux]Processes

Processes

1 ps

进程是指在机器上运行的程序，由内核进行管理。每个进程都有一个与之关联的标识符，称为进程ID（PID）。PID按照进程创建顺序分配。

使用ps命令可以查看当前正在运行的进程列表：

$ ps

输出示例：

PID        TTY     STAT   TIME          CMD
41230    pts/4    Ss        00:00:00     bash
51224    pts/4    R+        00:00:00     ps

这里各列含义如下：

• PID：进程ID。
• TTY：与进程相关的控制终端。
• STAT：进程状态代码。
• TIME：总CPU使用时间。
• CMD：可执行文件或命令名称。

ps命令有多种选项，不同风格（BSD、GNU或Unix）有不同的参数。其中，BSD风格较为常用。

使用以下命令获取更详细的进程信息：

$ ps aux

• a：显示所有用户的全部进程。
• u：显示关于进程的详细信息。
• x：列出没有控制终端的进程，这些进程在TTY字段中显示为?，通常为系统启动时自动运行的守护进程。

这将展示更多的字段，包括但不限于：

• USER：有效用户。
• %CPU：进程使用的CPU时间占总运行时间的比例。
• %MEM：进程使用的物理内存比率。
• VSZ：整个进程的虚拟内存使用量。
• RSS：常驻集大小，即任务已使用的非交换物理内存。
• START：进程启动时间。

使用top命令实时监控

top命令提供了一个动态的实时视图，显示系统中各个进程资源使用情况，默认每10秒刷新一次。这对于监控占用大量系统资源的进程非常有用。

$ top

2 终端类型与控制终端

在ps命令的输出中，存在一个TTY字段，它表示执行命令的终端。终端分为两种类型：常规终端设备和伪终端设备。

常规终端设备 vs 伪终端设备

• 常规终端设备：指的是可以直接输入并发送输出到系统的本地终端设备。例如，通过按下Ctrl-Alt-F1组合键进入的第一个虚拟控制台（TTY1），这里仅显示终端，没有图形界面等。要退出此模式，可以使用Ctrl-Alt-F7组合键。

• 伪终端设备：是我们通常使用的终端模拟器，如shell窗口中的终端，标记为PTS（Pseudo Terminal Slave）。通过再次运行ps命令，您可以看到自己的shell进程位于pts/*之下。

控制终端及其重要性

一般而言，进程通常绑定到一个控制终端。例如，在shell窗口中运行如find这样的程序时，如果关闭了该窗口，则相关进程也会随之终止。

然而，有些特殊进程，如守护进程(daemon)，它们对于保持系统正常运行至关重要。这类进程通常在系统启动时开始运行，并在系统关机时终止。由于这些进程在后台运行且需要持续工作而不受用户操作的影响，因此它们不绑定到任何控制终端。在ps命令的输出中，这类进程的TTY字段将显示为?，表示没有控制终端。

3 深入理解进程

什么是进程？

进程是系统上运行的程序实例。具体来说，它是操作系统分配内存、CPU和I/O资源以使程序得以运行的结果。为了更好地理解这一点，您可以尝试以下实验：打开三个终端窗口，在其中两个窗口中运行cat命令（不带任何选项），因为cat命令等待标准输入(stdin)，所以它将保持进程开启状态。然后，在第三个窗口中执行ps aux | grep cat命令。您会发现有两个名为cat的进程存在，尽管它们调用的是相同的程序。

内核的角色

内核负责管理所有进程。当我们运行一个程序时，内核会将程序代码加载到内存中，确定并分配必要的资源，并持续跟踪每个进程的状态。内核掌握的信息包括：

• 进程的状态
• 进程使用的资源及接收情况
• 进程的所有者
• 信号处理
• 以及其他相关信息

资源分配与管理

所有进程都在竞争系统资源，而内核的任务就是根据进程的需求合理分配这些资源。当一个进程结束时，它所占用的资源会被释放出来供其他进程使用。内核确保每个进程都能获得适当数量的资源，从而维持系统的高效运行。

4 进程创建与管理

创建新进程

当创建一个新进程时，现有进程使用所谓的“fork”系统调用（基本上复制了自己。Fork系统调用会生成一个几乎完全相同的子进程，该子进程将获得一个新的进程ID（PID），而原始进程则成为其父进程，并拥有一个称为父进程ID（PPID）的标识符。之后，子进程可以选择继续使用与其父进程相同的程序，但更常见的情况是使用execve系统调用来启动一个新程序。此系统调用会销毁内核为原进程设置的内存管理，并为新程序建立新的内存管理。

我们可以通过以下命令观察这一过程：

ps l

l选项提供了一个“长格式”或更加详细的运行进程视图。您会看到一列标记为PPID的字段，这是父进程ID。

所有进程的起源

既然每个进程都需要一个父进程，并且它们都是通过相互克隆形成的，那么必然存在一个所有进程的源头。确实如此，当系统启动时，内核会创建一个名为init的进程，它的PID为1。除非系统关闭，否则init进程无法被终止。它以root权限运行，负责执行许多维持系统运作的进程。

5 进程终止与管理

终止进程

进程可以通过_exit系统调用退出，这将释放该进程占用的资源以供重新分配。当一个进程准备终止时，它会通过所谓的“终止状态”告知内核其终止原因。通常情况下，状态码0表示进程成功结束。然而，这还不足以完全终止一个进程。父进程必须使用wait系统调用来确认子进程的终止，并检查子进程的终止状态。

另一种终止进程的方式是通过信号，之后会讨论。

孤儿进程

如果父进程在子进程之前终止，内核会意识到不会收到对该子进程的wait调用。因此，这些子进程会被标记为“孤儿”，并由init进程接管。最终，init进程会对这些孤儿进程执行wait系统调用，以便它们能够被彻底清除。

僵尸进程

当子进程终止而父进程尚未调用wait时，会发生什么呢？内核会将其转换为僵尸进程。子进程使用的资源已被释放用于其他进程，但在进程表中仍保留有这个僵尸进程的条目。僵尸进程无法被杀死，因为它们实际上已经是“死亡”的状态，所以不能通过信号来消灭它们。最终，若父进程调用了wait系统调用，僵尸进程将会消失，这一过程被称为“收割”。如果父进程没有执行wait调用，init进程将收养这些僵尸进程，并自动执行wait来移除它们。过多的僵尸进程可能会占据进程表的空间，影响新进程的运行，因此这是应当避免的情况。

6 信号

信号是一种通知机制，用于告知进程某事件已经发生。

为何使用信号？

• 用户可以通过输入特定的终端字符（如Ctrl-C或Ctrl-Z）来终止、中断或挂起进程。
• 硬件问题出现时，内核可能需要通知相关进程。
• 软件问题发生时，内核也可能需要通知进程。
• 它们是进程间通信的一种方式。

信号处理过程

当某个事件产生一个信号后，该信号会被传递给相应的进程，并处于待处理状态直到被接收。如果进程正在运行，信号将会被传递。然而，进程可以通过设置信号掩码来阻止某些信号的传递。当信号被传递时，进程可以执行以下操作之一：

• 忽略该信号。
• “捕获”信号并执行特定的处理程序。
• 进程终止。
• 根据信号掩码阻塞信号。

常见信号

每个信号都由整数定义，并具有形式为SIGxxx的符号名。一些常见的信号包括：

• **SIGHUP (1)**：挂断
• **SIGINT (2)**：中断
• **SIGKILL (9)**：强制结束进程
• **SIGSEGV (11)**：段错误
• **SIGTERM (15)**：软件终止请求
• SIGSTOP：暂停进程

信号编号可能会有所不同，因此通常通过其名称引用。值得注意的是，某些信号无法被阻塞，例如SIGKILL，它将直接销毁进程。

7 kill

在Linux系统中，kill命令用于向进程发送信号以终止其运行。例如：

$ kill 12445

这里的12445是目标进程的PID（进程标识符）。默认情况下，kill命令发送的是SIGTERM信号，请求进程正常终止并释放资源、保存状态。

也可以通过kill命令指定发送不同的信号，如使用-9选项发送SIGKILL信号来强制结束进程：

$ kill -9 12445

这将立即杀死进程，不给予任何清理机会。

常见信号及其区别

尽管以下信号听起来相似，但它们之间存在显著差异：

• **SIGHUP (挂断)**：当控制终端关闭时发送给进程。例如，如果你关闭了一个正在运行某个进程的终端窗口，则该进程会收到一个SIGHUP信号。
• **SIGINT (中断)**：可通过按下Ctrl-C触发，通知系统尝试优雅地终止进程。
• **SIGTERM (软件终止)**：请求进程终止，并允许它进行必要的清理操作。
• **SIGKILL (强制终止)**：无条件地终止进程，不做任何清理工作，常被称为“强制杀死”。
• **SIGSTOP (暂停)**：停止或挂起进程的执行。

8 niceness

当计算机同时运行多个程序，如Chrome、Microsoft Word或Photoshop时，这些程序看似并行执行，但实际上它们是通过分时共享CPU来实现的。每个进程仅在短时间内——即所谓的时间片内使用CPU资源，然后暂停几毫秒以让位于其他进程。操作系统默认采用轮询调度算法分配时间片，确保所有进程均得到足够的处理时间。此过程由内核管理，并且大多数情况下能够高效地完成。

进程优先级与Nice值

进程无法自行决定何时以及多久可以占用CPU；若无干预，各进程大致会获得相等的CPU时间。然而，Linux系统允许用户通过设置“nice”值来影响内核的调度决策。“Nice”值决定了进程获取CPU资源的优先级：较高的数值意味着较低的优先级（更“友善”的进程），而较低甚至负数的值则表示较高优先级（较“不友善”的进程）。

查看进程的“nice”值可以通过top命令：

$ top

在显示的结果中，“NI”列表示的就是各个进程的“nice”级别。

调整进程优先级

使用nice和renice命令可调整进程的优先级：

• nice命令用于启动新进程时设定其优先级：

  $ nice -n 5 apt upgrade

• renice命令则用于修改已存在进程的优先级：

  $ renice 10 -p 3245

9 进程状态

执行ps aux命令后，在“STAT”列中可以看到各种状态代码，它们代表Linux进程中可能处于的不同状态。以下是常见的状态代码及其含义：

• R：运行或可运行状态。这意味着进程正在运行或等待CPU处理。
• S：中断休眠状态。进程正在等待某个事件完成，例如来自终端的输入。
• D：不可中断休眠状态。这些进程无法被信号杀死或中断，通常需要通过重启系统或解决问题来清除。
• Z：僵尸状态。这是指已终止但仍在等待其状态被收集的进程。
• T：已停止状态。表示进程已被挂起或停止。

10 /proc 文件系统

Linux中的进程与/proc文件系统

在Linux中，所有事物都被视为文件，这包括进程。进程信息存储在一个特殊的文件系统：/proc文件系统中。

执行以下命令列出/proc目录下的内容：

$ ls /proc

该目录下包含多个子目录，每个运行中的进程ID（PID）都有一个对应的子目录。通过查看ps命令的输出，可以找到特定进程的PID，并在/proc目录下对应地访问其信息。

例如，要查看PID为12345的进程状态，可以使用cat命令读取其状态文件：

$ cat /proc/12345/status

这将展示有关该进程的状态信息及更详细的资料。通过/proc目录，内核提供了对系统状态的视图，因此这里的信息比ps命令显示的更为详尽和全面。

11 job control

在单一终端窗口中管理长时间运行的进程

当在单一终端窗口中执行一个耗时较长的命令，该命令会占用整个shell直到完成。为了继续使用机器，可以将进程置于后台运行。以下是如何通过作业（jobs）控制进程运行的方式：

将任务发送到后台

在命令后添加一个&符号，可以让命令在后台运行，同时释放shell以便进行其他操作。示例如下：

$ sleep 1000 &
$ sleep 1001 &
$ sleep 1002 &

查看所有后台作业

要查看刚刚发送到后台的任务，可以使用jobs命令：

$ jobs

输出示例：

[1]    Running     sleep 1000 &
[2]-   Running     sleep 1001 &
[3]+   Running     sleep 1002 &

这显示了每个作业的ID、状态及所运行的命令。带有+号标记的作业是最新的后台作业，而-号标记的则是次新作业。

将现有作业发送到后台

对于已经启动但未设为后台运行的任务，无需终止它重新开始。首先通过Ctrl-Z暂停作业，然后使用bg命令将其置于后台：

pete@icebox ~ $ sleep 1003
^Z
[4]+    Stopped     sleep 1003
pete@icebox ~ $ bg
[4]+    sleep 1003 &

再次使用jobs命令确认更新后的状态。

将后台作业移至前台

要将后台作业移到前台，指定相应的作业ID即可。如果直接运行fg不带参数，则默认将最新的后台作业（即带有+号标记的作业）带回前台：

$ fg %1

终止后台作业

类似地，可以通过指定作业ID来终止后台进程：

kill %1