Linux 进程管理的全面解析

一、理解进程和和线程

1.1 什么是进程

进程是操作系统中最基本的概念之一,它是程序在计算机上的一次执行过程。具体来说:

  • 资源分配的基本单位:操作系统以进程为单位分配系统资源(CPU时间、内存、I/O设备等)

  • 独立的内存空间:每个进程拥有自己独立的虚拟地址空间,进程间相互隔离

  • 生命周期:进程有明确的创建、执行、等待和终止等状态变化

  • 程序与进程的关系:程序是静态的代码文件,进程是程序运行的动态实例

进程的特点包括:

  • 并发性:多个进程可以并发执行

  • 动态性:进程是执行中的程序,有生命周期

  • 独立性:各进程拥有独立的地址空间和资源

  • 结构性:进程由程序段、数据段和进程控制块(PCB)组成

1.2 什么是线程

线程是比进程更小的执行单位,也称为轻量级进程(LWP):

  • CPU调度的基本单位:操作系统以线程为单位进行CPU调度

  • 共享资源:同一进程内的多个线程共享进程的内存空间和系统资源

  • 独立执行流:每个线程有自己的栈空间、程序计数器和寄存器状态

  • 并发执行:多线程可充分利用多核CPU,提高程序执行效率

线程与进程的主要区别:

  1. 资源分配:进程是资源分配的基本单位,线程共享进程资源

  2. 切换开销:线程上下文切换比进程切换快得多

  3. 通信方式:进程间通信(IPC)较复杂,线程可直接读写进程数据

二、进程状态

进程状态转换图:

新建 → 就绪 ↔ 运行 → 终止
          ↑↓    ↓
        阻塞(睡眠)

三、进程查看方法

3.1 图形界面工具

gnome-system-monitor  #打开图形中的进程管理工具

3.2 命令行工具

s #进程查看
                #ps 命令的三种执行风格 unix bsd GNU
                #a 与终端相关的进程(当用户登陆系统后产生的进程都是带终端的)
                #x 与终端无关相关的进程
                #u 用户信息归类的查看方式
                #f 进程层级关系
                #o 显示指定参数
                #  pid comm nice pri pcpu ppid stat,user,group
                #-e 显示所有进程
                #-f 显示信息的完整格式
                #-H 显示进程的层级结构
                #-o 显示指定参数
                #--sort=

ps ax显示信息如下:
                #PID 进程id
                #TTY 进程用到的终端
                #STAT 进程状态
                #TIME 进程占用cpu时长
                #COMMAND 进程名称

ps aux显示信息如下:
                #USER 进程所有人
                #PID 进程id
                #%CPU 进程使用cpu的用量
                #%MEM 进程所用到的内存用量
                #VSZ 进程使用的虚拟内存大小
                #RSS 进程常驻内存中的数据大小
                #TTY 进程用到的终端
                #STAT 进程状态
                #START 进程运行时长
                #TIME 进程占用cpu时长
                #COMMAND 进程名称

pgrep           #进程过滤
                #-u uid 显示指定用户进程
                #-U user 显示指定用户进程
                #-t tty 显示指定终端进程
                #-l 显示进程名称
                #-a 显示进程的完整名称
                #-P 进程的子进程

pidof 进程名称   ##查看vim的pid

top             ##动态进程查看
                #top命令的参数
                    #-d 指定刷新频率
                    #-b 以批次方式显示
                    #-n 指定显示的批次数量

top内部指令
                    #P cpu排序
                    #M 内存排序
                    #T 累计占用cpu时间排序
                    #l 关闭/开启uptime信息
                    #t 关闭/开启cpu&task
                    #s 指定刷新频率
                    #k 操作进程
                    #u 查看指定用户进程
top中的内容显示信息
                    #09:48:51 系统时间
                    #up 18:54 运行时长
                    #2 users 系统中有两个用户登陆
                    #load average: 0.75, 0.53, 0.41
                    1min 5min 15min
                    #Tasks:
                    #331 total 任务总量
                    #3 running 正在运行
                    #329 sleeping 休眠人物数量
                    #0 stopped 被暂停数量
                    #0 zombie 僵死人物数量
                    #%Cpu(s)
                    #1.5 us 用户空间
                    #1.9 sy 内核空间
                    #0.0 ni nice值调整时间
                    #58.9 id 空闲时间
                    #0.0 wa 等待io时间
                    #2.1 hi 处理硬件中断时间
                    #0.2 si 处理软件中断时间
                    #0.0 st 被偷走的时间(vm使用时间)
                    #MiB Mem :
                    #7664.6 total, 总量
                    #5383.9 free 空闲
                    #1312.1 used 占用
                    #968.8 buff/cache 缓存
                    #MiB Swap: 交换分区用量
#PID 进程id
 #USER 进程所有者的用户名
#PR 优先级
#NI nice值。负值表示高优先级,正值表示低优先级
#VIRT 进程使用的虚拟内存总量,单位kb。VIRT=SWAP+RES
 #RES 进程使用的、未被换出的物理内存大小,单位kb。RES=CODE+DATA
 #SHR 共享内存大小,单位kb
 #S 进程状态(D=不可中断的睡眠状态,R=运行,S=睡眠,T=跟踪/停止,Z=僵尸进
程)
 #%CPU 上次更新到现在的CPU时间占用百分比
#%MEM 进程使用的物理内存百分比
#TIME+ 进程使用的CPU时间总计,单位1/100秒
#COMMAND 命令名/命令行

top中的内容显示信息
第一行:系统时间、运行时长、登录用户数、平均负载

第二行:进程总数及状态统计(运行、睡眠、停止、僵尸)

第三行:CPU 使用率(用户态 us、内核态 sy、空闲 id、等待I/O wa 等)

第四行:物理内存使用情况(总量、空闲、已用、缓存)

四、进程的前后台调用

<ctrl>+<z>      ##把占用shell的进程打入后台挂起
bg              ##把后台挂起的进程运行起来
fg              ##把后台进程调回前台
命令&            ##运行进程在后台
jobs            ##查看当前shell中在后台的所有工作

<ctrl>+<z>:

在终端中,当一个进程正在前台运行并占用着 shell 时,按下 Ctrl + Z 组合键可以将该进程暂停并打入后台挂起。此时,进程处于停止状态,但并未终止,它会释放对终端的控制权,让用户可以在 shell 中继续输入其他命令。

bg:

用于将后台挂起的进程在后台运行起来。

fg:

用于把后台进程调回前台。

命令 &:

在命令后面加上 &,可以让该命令对应的进程在后台运行。

jobs:

命令用于查看当前 shell 中在后台的所有工作,即显示所有后台进程的信息,包括进程的编号、状态以及对应的命令等。

五 进程的优先级

5.1 优先级概念

Linux进程优先级分为:

  • 静态优先级(用户优先级):100-139,对应nice值-20到19

  • 动态优先级(内核优先级):0-99,由内核维护

5.2 调整优先级

优先级范围值:
#范围: 0--139
 #内核自控优先级范围:0-99
 #用户可控优先级:100-139
 nice -n -5 cat      
##指定优先级打开进程
renice -n -5 43331  ##更改优先级
进程状态字符详解

用户通过 nice 或 renice 设置,范围 -20(最高)到 19(最低),能直接影响普通进程的初始调度权重。

nice值

        nice值用来调整控制进程优先级的,nice值越低(越负),优先级就越高;Nice 值范围:-20(最高优先级)到 19(最低优先级),默认值为 0

命令格式:

nice -n <调整值> <命令>   # 调整值为目标 Nice 值与默认值(0)的差值

演示

renice值

 renice命令可以修改进程的nice值,如renice -5 3595,其中 -5 为你想要修改的nice值为多少,后面的编号3595即为进程编号

Tips:查看进程编号可以用监视(watch)来监控进程的pid,即可看到进程编号,也可以用vim &来查看

命令格式:

renice -5(想要修改的nice值) 16410(进程编号)

(3)进程状态字符解释

六、进程信号

6.1 进程信号的定义

在 Linux 系统中,进程信号(Process Signal)是一种软件中断机制,用于在进程之间传递异步通知。它 为系统提供了一种处理异常情况、实现进程间通信的简单方式。信号可以由系统内核、其他进程或者用 户手动发送给目标进程,当进程接收到信号时,会根据信号的类型执行相应的操作,如终止进程、暂停 进程、忽略信号等。

6.2 用户可控制的进程信号

6.3 信号特点
可捕获、阻塞和忽略:像 SIGHUP 、 SIGINT 、 SIGTERM 这类信号,进程可以编写相应的信号处理函数来捕获它们,也可以选择阻塞(暂时不处理)或者忽略这些信号。

不可捕获、阻塞和忽略: SIGKILL 和 SIGSTOP 信号比较特殊,进程无法对其进行捕获、阻塞或忽略操作,这保证了在必要时可以强制终止或暂停进程

6.4  如何使用进程号

#进程信号控制工具

kill 进程信号 pid                      #处理精确指定的进程

killall 进程信号 进程名字          #按照进程名称批量处理进程

pkill 进程信号 进程条件           #按照条件处理进程

七、systemd 守护进程详解

7.1 守护进程是什么?

定义
守护进程(Daemon)是 Linux 系统中一种特殊的后台服务进程,具有以下核心特征:

  • 长期运行:从系统启动时自动加载,直到系统关闭才终止。

  • 脱离终端:不与任何用户终端直接关联,不接收用户输入,也不直接输出到终端界面。

  • 提供服务:为系统或其他应用程序提供基础服务支持(如网络服务、日志管理、定时任务等)。

7.2 守护进程的特点

守护进程的设计目标是稳定、可靠地提供服务,其核心特点包括:

  1. 后台运行

    • 不占用用户终端资源,独立于用户登录会话运行。

    • 用户无法直接通过终端控制其输入/输出。

  2. 生命周期长

    • 随系统启动而启动,随系统关闭而终止。

    • 通常持续运行,除非被显式终止或发生严重错误。

  3. 无控制终端

    • 不关联任何终端设备(如 /dev/tty*)。

    • 日志通常通过系统日志服务(如 syslog 或 journald)记录。

  4. 自成进程组与会话

    • 创建独立的进程组和会话(Session),避免受终端关闭的影响。

    • 通过 setsid() 系统调用实现与控制终端的分离。

  5. 资源隔离

    • 拥有独立的运行环境(如工作目录、文件描述符等)。

7.3 Systemd 守护进程

什么是 Systemd?
  • 定义:Systemd 是 Linux 新一代的初始化系统(Init System),用于替代传统的 SysVinit 和 Upstart。

  • 核心功能

    • 系统启动管理

    • 服务进程管理(守护进程的启动、停止、监控)

    • 资源分配与依赖解析

Systemd 守护进程管理的优势
  1. 并行启动

    • 支持服务并行初始化,显著加快系统启动速度。

  2. 依赖管理

    • 自动处理服务间的依赖关系(如 A.service 启动前需确保 B.service 已运行)。

  3. 状态监控

    • 自动重启崩溃的服务进程。

    • 提供详细的日志记录(通过 journalctl 查看)。

  4. 统一配置

    • 使用 .service 单元文件定义服务行为,标准化管理流程。

    • 示例单元文件路径:/usr/lib/systemd/system/nginx.service

  5. 资源控制

    • 支持限制服务的 CPU、内存等资源使用(通过 Cgroup 机制)。

7.4 常用命令表

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