Linux系統(tǒng)下進(jìn)程的幾種狀態(tài)介紹

文章對(duì) Linux 系統(tǒng)下進(jìn)程的幾種狀態(tài)進(jìn)行介紹，并對(duì)系統(tǒng)出現(xiàn)大量僵尸進(jìn)程和不可中斷進(jìn)程的場(chǎng)景進(jìn)行分析，使用常用的幾種工具進(jìn)行問(wèn)題分析定位。

1、進(jìn)程狀態(tài)

top 和 ps 是最常用的查看進(jìn)程狀態(tài)的工具，下面是 top 命令輸出的示例，S 列(也就是 Status 列)表示進(jìn)程的狀態(tài)。

上面數(shù)據(jù)的 S 列可以看到 R、D、S、I 、Z 幾個(gè)狀態(tài)，下面對(duì)進(jìn)程的這幾種狀態(tài)進(jìn)行介紹。

R 狀態(tài)：R 是 Running 或 Runnable 的縮寫(xiě)，表示進(jìn)程在 CPU 的就緒隊(duì)列中，正在運(yùn)行或者正在等待運(yùn)行。

D 狀態(tài)：D 是 Disk Sleep 的縮寫(xiě)，也就是不可中斷狀態(tài)睡眠(Uninterruptible Sleep)，一般表示進(jìn)程正在跟硬件交互，并且交互過(guò)程不允許被其他進(jìn)程或中斷打斷。

Z 狀態(tài)：Z 是 Zombie 的縮寫(xiě)，它表示僵尸進(jìn)程，也就是進(jìn)程實(shí)際上已經(jīng)結(jié)束了，但是父進(jìn)程還沒(méi)有回收它的資源(比如進(jìn)程的描述符、PID 等)。

S 狀態(tài)：S 是 Interruptible Sleep 的縮寫(xiě)，也就是可中斷狀態(tài)睡眠，表示進(jìn)程因?yàn)榈却硞€(gè)事件而被系統(tǒng)掛起。當(dāng)進(jìn)程等待的事件發(fā)生時(shí)，它會(huì)被喚醒并進(jìn)入 R 狀態(tài)。

I 狀態(tài)：I 是 Idle 的縮寫(xiě)，也就是空閑狀態(tài)，用在不可中斷睡眠的內(nèi)核線程上。硬件交互導(dǎo)致的不可中斷進(jìn)程用 D 表示，但對(duì)某些內(nèi)核線程來(lái)說(shuō)，它們有可能實(shí)際上并沒(méi)有任何負(fù)載，用 Idle 正是為了區(qū)分這種情況。要注意，D 狀態(tài)的進(jìn)程會(huì)導(dǎo)致平均負(fù)載升高， I 狀態(tài)的進(jìn)程卻不會(huì)。

進(jìn)程的狀態(tài)除了上面的狀態(tài)之外，還有 T 和 t 狀態(tài)，這兩種狀態(tài)都表示進(jìn)程處于停止?fàn)顟B(tài)，但使得進(jìn)程停止的原因有所差異，如下所示。

T 狀態(tài)：由信號(hào)觸發(fā)的停止?fàn)顟B(tài)，比如向一個(gè)進(jìn)程發(fā)送 SIGSTOP 信號(hào)，它就會(huì)因響應(yīng)這個(gè)信號(hào)變成暫停狀態(tài)(Stopped);再向它發(fā)送 SIGCONT 信號(hào)，進(jìn)程又會(huì)恢復(fù)運(yùn)行(如果進(jìn)程是終端里直接啟動(dòng)的，則需要你用 fg 命令，恢復(fù)到前臺(tái)運(yùn)行)。

t 狀態(tài)：由調(diào)試跟蹤觸發(fā)的停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)使用調(diào)試器(如 gdb)調(diào)試一個(gè)進(jìn)程時(shí)，在使用斷點(diǎn)中斷進(jìn)程后，進(jìn)程就會(huì)變成跟蹤狀態(tài)，這其實(shí)也是一種特殊的暫停狀態(tài)，只不過(guò)可以用調(diào)試器來(lái)跟蹤并按需要控制進(jìn)程的運(yùn)行。

2、案例分析

本案例模擬多進(jìn)程對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行讀取，使用相關(guān)的性能分析工具對(duì)例程出現(xiàn)的性能問(wèn)題進(jìn)行分析，案例源碼在文章后面，編譯出的可執(zhí)行程序名稱為 app。

2.1 異常信息分析

在 Ubuntu 系統(tǒng)中打開(kāi)一個(gè)終端，執(zhí)行 app 進(jìn)程，打開(kāi)第二個(gè)終端，使用 top 命令查看進(jìn)程運(yùn)行狀態(tài)，如下所示。

對(duì)上面圖片中的信息進(jìn)行分析，找出系統(tǒng)可能存在的異常情況。

第一行中過(guò)去 15 分鐘、5 分鐘、1 分鐘的平均負(fù)載依次升高，說(shuō)明平均負(fù)載正在升高，過(guò)去 1 分鐘的平均負(fù)載已經(jīng)快接近 CPU 的個(gè)數(shù)，說(shuō)明系統(tǒng)可能已經(jīng)出現(xiàn)了性能瓶頸。

第二行中存在較多的僵尸進(jìn)程，說(shuō)明子進(jìn)程退出時(shí)沒(méi)有被回收。

查看 CPU 信息，用戶 CPU 使用率較低，系統(tǒng) CPU 使用率和 iowait 有所上升。

查看每個(gè)進(jìn)程的信息，當(dāng)前運(yùn)行 app 進(jìn)程的 CPU 使用率為 20% 左右，且這兩個(gè)進(jìn)程的狀態(tài)為 D 狀態(tài)，說(shuō)明該進(jìn)程有可能正在等待 I/O。

對(duì)以上分析進(jìn)行總結(jié)，得出以下兩點(diǎn)結(jié)論。

系統(tǒng)中僵尸進(jìn)程在不斷增加，說(shuō)明程序沒(méi)有正確回收子進(jìn)程的資源。

系統(tǒng)平均負(fù)載在升高，CPU 使用率和 iowait 有所上升，說(shuō)明平均負(fù)載的升高可能是 iowait 引起的，iowait 與系統(tǒng)調(diào)用有關(guān)。

2.2 iowait 分析

根據(jù)上面得出的結(jié)論，系統(tǒng)平均負(fù)載的上升可能是由于 iowait 引起的，這里推薦一個(gè)查看系統(tǒng) I/O 情況的工具，dstat 可以同時(shí)查看 CPU 和 I/O 這兩種資源的使用情況，便于對(duì)比分析，以 1 秒為間隔，連續(xù)輸出10組數(shù)據(jù)，如下所示。

從 dstat 的輸出可以看到，當(dāng) iowait(wai)高時(shí)，磁盤(pán)的讀請(qǐng)求(read)都會(huì)很大。這說(shuō)明 iowait 的升高跟磁盤(pán)的讀請(qǐng)求有關(guān)，很可能就是磁盤(pán)讀導(dǎo)致的。

接下來(lái)，需要找出讀取磁盤(pán)的進(jìn)程，上面 top 的輸出中，進(jìn)程 id 為 6758 和 6759 的進(jìn)程處于 D 狀態(tài)，使用 pidstat 查看這兩個(gè)進(jìn)程的情況，-d 參數(shù)可以顯示 I/O 的使用情況，如下所示。

上圖進(jìn)程 ID 為 6758 和 6759 的進(jìn)程 kB_rd/s 數(shù)據(jù)值為 0，說(shuō)明不是這兩個(gè)進(jìn)程在讀取磁盤(pán)數(shù)據(jù)，繼續(xù)使用 pidstat 查看所有進(jìn)程的 I/O 使用情況，如下所示(以 1 秒為間隔，輸出 3 組數(shù)據(jù))。

上圖中 app 進(jìn)程的 kB_rd/s 的值較大，最大達(dá)到 211MB/s，說(shuō)明 iowait 升高就是 app 進(jìn)程在讀取數(shù)據(jù)導(dǎo)致的。進(jìn)程分為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)，進(jìn)程想要訪問(wèn)磁盤(pán)，就必須使用系統(tǒng)調(diào)用，這也是通過(guò) top 查看時(shí)，系統(tǒng) CPU 和 iowait 一起升高的原因，接下來(lái)的重點(diǎn)就是找出 app 進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用。

strace 工具可以查看進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用棧，指定 pid 查看進(jìn)程的系統(tǒng)調(diào)用棧，如下所示。

上圖操作顯示無(wú)權(quán)限，但是當(dāng)前終端權(quán)限已經(jīng)為 root，檢查一下進(jìn)程的狀態(tài)是否正常，如下所示。

根據(jù)圖片信息可以看到，當(dāng)前進(jìn)程 ID 為 6945 的 app 進(jìn)程狀態(tài)為僵尸狀態(tài)，僵尸進(jìn)程是已經(jīng)退出的進(jìn)程，所以就沒(méi)法兒繼續(xù)分析它的系統(tǒng)調(diào)用。

之前提到的 perf 工具，也可以查看進(jìn)程的調(diào)用關(guān)系，使用"perf record -g"命令記錄調(diào)用關(guān)系，等待 10 秒左右，使用"perf report"命令報(bào)告調(diào)用關(guān)系，展開(kāi) app 進(jìn)程的調(diào)用關(guān)系，如下所示。

app 通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用 sys_read() 讀取數(shù)據(jù)，從 new_sync_read 和 blkdev_direct_IO 可以看出，進(jìn)程正在對(duì)磁盤(pán)進(jìn)行直接讀，也就是繞過(guò)了系統(tǒng)緩存，每個(gè)讀請(qǐng)求都會(huì)從磁盤(pán)直接讀，這其實(shí)就是導(dǎo)致 iowait 升高的原因，查看 app.c 中磁盤(pán)的打開(kāi)方式，如下所示。

直接讀寫(xiě)磁盤(pán)，是直接控制磁盤(pán)的讀寫(xiě)，不借助系統(tǒng)緩存的優(yōu)化進(jìn)行操作，這會(huì)導(dǎo)致讀寫(xiě)性能受到 I/O 瓶頸的限制，一般直接讀寫(xiě)只應(yīng)用于對(duì) I/O 敏感型的場(chǎng)景，比如數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。但在大部分情況下，最好還是通過(guò)系統(tǒng)緩存來(lái)優(yōu)化磁盤(pán) I/O，在例程中刪除 O_DIRECT 這個(gè)選項(xiàng)。

修改后啟動(dòng) app 進(jìn)程，然后使用 top 工具查看系統(tǒng)信息，如下所示，當(dāng)前平均負(fù)載、CPU 使用率和 iowait 已經(jīng)非常低了，說(shuō)明剛才的改動(dòng)已經(jīng)成功修復(fù)了 iowait 高導(dǎo)致系統(tǒng)平均負(fù)載升高的問(wèn)題。

2.3 僵尸進(jìn)程問(wèn)題分析

僵尸進(jìn)程是因?yàn)楦高M(jìn)程沒(méi)有回收子進(jìn)程的資源造成的，因此，要解決僵尸進(jìn)程的問(wèn)題，就要找出父進(jìn)程，然后在父進(jìn)程里等待回收子進(jìn)程，可以通過(guò) pstree 找出子進(jìn)程對(duì)應(yīng)的父進(jìn)程，如下所示(-a 表示顯示命令行選項(xiàng)，p表PID，s表示指定進(jìn)程的父進(jìn)程)。

通過(guò)上面圖片看到，進(jìn)程 id 為 3574 進(jìn)程的父進(jìn)程是 3571，還是 app 進(jìn)程，接下來(lái)查看 app 應(yīng)用程序的代碼，分析子進(jìn)程結(jié)束的處理是否正確，比如有沒(méi)有調(diào)用 wait() 或 waitpid() ，抑或是，有沒(méi)有注冊(cè) SIGCHLD 信號(hào)的處理函數(shù)。app 應(yīng)用程序?qū)ψ舆M(jìn)程的創(chuàng)建和清理代碼如下。

這段代碼雖然看起來(lái)調(diào)用了 wait() 函數(shù)等待子進(jìn)程結(jié)束，但卻錯(cuò)誤地把 wait() 放到了 for 死循環(huán)的外面，wait() 函數(shù)實(shí)際上并沒(méi)被調(diào)用到，把它挪到 for 循環(huán)的里面就可以了。修改后，可以使用 top 命令檢查一下，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的僵尸進(jìn)程數(shù)量一直為 0。

2.4 例程源碼