内核定时器＆zombie

看了3个周末的Linux内核，包括前两周总结的，。当时研究这个的原因是因为。不过到现在相关的背景知识也了解了，问题也早已经解决了，所以暂时也没有进一步的兴趣驱动去研究内核了，这里是终结篇。:)

在应用程序运行的时候，特别是抢占式的操作系统里面，内核怎么样取得控制权？这依赖硬件支持的系统定时器来实现。内核中有非常多的功能由定时器触 发。系统定时器以固定的频率触发，这个频率称为tick rate(HZ)，每个触发周期的时间叫做tick, 它等于1/HZ秒。触发后系统会转到内核相应的handler去处理。

在系统定时器中断时候内核需要做以下事情

• 更新uptime, time of day, resource及处理器使用状态
• 检查多处理器是否负载均衡
• 检查当前进程是否timeslice是否用完，如果用完则重新分配下阶段计划(reschedule)
• 运行应用程序自定义的定时器(dynamic timers)

了解了tick rate之后才能比较好理解为什么sleep(), timer等API声称都不是提供精确的时间，因为cpu一个任务timeslice没运行完，系统是不会马上切换到这些dynamic timer的进程的。

Linux 2.5以上将tick从100改成1000，相当于系统时钟从10ms变成每1ms要中断一次，当时也引起较大的争议。

改成1000的优点有：

• 系统时钟精度更高更准确。
• 系统调用如poll(), select() 等依赖系统时钟的调用性能得到很大改善。
• 内核实时运行指标如资源占用，uptime更准确。
• 抢占式机制更精确。

缺点：
我们知道定时器频繁被触发必将会增加开销，降低throughput。这是很多人反对改成1000的理由。原理上它在CPU的时间中断上将会增加10倍的 开销。但由于现代CPU硬件速度的变快。大家也逐渐认可了新的调整不会给整体性能带来大的影响。如果在意这一点的可以重新编译内核， 将中HZ的值由1000降低。目前可以接受的值有100,500和1000。

Linux 2.6.21 又增加了一种叫dyntick的技术，dyntick就是在系统空闲的时候，彻底停止时间中断， 避免cpu空转，它会带来节能方面的好处。详情可参看。这是个新的技术，一般的书上都没来得及写进去。

比较感兴趣的后续课题是virtualization系统中的timer实现。

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上周碰到部署在真实服务器上某个应用的问题，虽然经过tuning, 问题貌似已经解决，但我对tuning的方式只是基于大胆的假设并最终生效了。我更希望更多的求证一下程序背后CPU及OS kernel当时的运作机制。所以我读了一些及其他一些相关资料，对Linux process的机制与切换有了更多一些体会。本文尽可能条理一点，但由于牵涉点较多，同时自己可能觉得某些点有记录的价值，因此文字可能会零散。

• 进程状态

Linux进程的状态比较容易理解，值得注意的是 UNINTERRUPTIBLE 及 ZOMBIE

TASK_RUNNING
TASK_INTERRUPTIBLE
TASK_UNINTERRUPTIBLE 此时进程不接收信号，这就是为什么有时候kill一个繁忙的进程没有响应。
TASK_ZOMBIE 我们经常 kill -9 pid 之后运行ps会发现被kill的进程仍然存在，状态为 zombie。zombie的进程实际上已经结束，占用的资源也已经释放，仅由于kernel的相关进程描述符还未释放。
TASK_STOPPED

• Kernel space and user space

Kernel space是供内核，设备驱动运行的内存区域。user space是供普通应用程序运行的区域。每一个进程都运行在自己的虚拟内存区域，不能访问其他进程的内存空间。普通进程不能访问kernel space, 只能通过系统调用来间接进行。当系统内存比较紧张时，非当前运行进程user space可能会被swap到磁盘。

使用命令 pmap -x 可以查看进程的内存占用信息； lsof -a -p 可以查看一个进程打开的文件信息。ps -Lf 可以查看进程的线程数。

另外procfs也是一个分析进程结构的好地方。procfs是一个虚拟的文件系统，它把系统中正在运行的进程都显现在/proc/目录下。

• 进程创建

进程创建通常调用fork实现。创建后子进程和父进程指向同一内存区域，仅当子进程有write发生时候，才会把改动的区域copy到子进程新的地址空间，这就是copy-on-write技术，它极大的提高了创建进程的速度。

• Linux的线程实现

Linux线程是通过进程来实现。Linux kernel为进程创建提供一个clone()系统调用，clone的参数包括如 CLONE_VM, CLONE_FILES, CLONE_SIGHAND 等。通过clone()的参数，新创建的进程，也称为LWP(Lightweight process)与父进程共享内存空间，文件句柄，信号处理等，从而达到创建线程相同的目的。

Linux 2.6的线程库叫NPTL(Native POSIX Thread Library)。POSIX thread(pthread)是一个编程规范，通过此规范开发的多线程程序具有良好的跨平台特性。尽管是基于进程的实现，但新版的NPTL创建线程的效 率非常高。一些测试显示，基于NPTL的内核创建10万个线程只需要2秒，而没有NPTL支持的内核则需要长达15分钟。

在Linux 2.6之前，Linux kernel并没有真正的thread支持，一些thread library都是在clone()基础上的一些基于user space的封装，因此通常在信号处理、进程调度(每个进程需要一个额外的调度线程)及多线程之间同步共享资源等方面存在一定问题。为了解决这些问题，当 年IBM曾经开发一套NGPT(Next Generation POSIX Threads), 效率比 LinuxThreads有明显改进，但由于NPTL的推出，NGPT也完成了相关的历史使命并停止了开发。

NPTL的实现是在kernel增加了futex(fast userspace mutex)支持用于处理线程之间的sleep与wake。futex是一种高效的对共享资源互斥访问的算法。kernel在里面起仲裁作用，但通常都由进程自行完成。

NPTL是一个1×1的线程模型，即一个线程对于一个操作系统的调度进程，优点是非常简单。而其他一些操作系统比如Solaris则是MxN的，M对应创建的线程数，N对应操作系统可以运行的实体。(N

• 信号

进程接收信号有两种：同步和异步。同步信号比如SEGILL(非法访问), SIGSEGV(segmentation fault)等。发生此类信号之后，系统会立即转到内核陷阱处理程序，因此同步信号也称为陷阱。异步信号如kill, lwp_kill, sigsend等调用产生的都是，异步信号也称为中断。

kill 调用的是 SIGTERM, 此信号可以被捕获和忽略。

kill -9 调用的是 SIGKILL, 杀掉进程，不能被捕获和忽略。

SIGHUP是在终端被断开时候调用，如果信号没有被处理，进程会终止。这就是为什么突然断网刚通过远程终端启动的进程都终止的原因。防止的方法是在启动的命令前加上 nohup 命令来忽略 SIGHUP信号。如 nohup ./startup.sh &

很多应用程序通常捕获SIGHUP用来实现一些自定义特性，比如通过控制台传递信号让正在运行的程序重新加载配置文件，避免重启带来的停止服务的副 作用。可惜的是，在JAVA中没法直接使用这一功能，SUN JVM没有官方的signal支持，尽管它已经可以实现，详情可参看Singals and Java.

另外有个有趣的现象是 zombie 状态的进程 kill/kill -9 都没有任何作用，这是由于进程本身已经不存在，所以没有相应的进程来处理signal, zombie状态的进程只是kernel中的进程描述符及相关数据结构没有释放，但进程实体已经不存在了。

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Linux 的僵尸(zombie)进程

可 能很少有人意识到，在一个进程调用了exit之后，该进程 并非马上就消失掉，而是留下一个称为僵尸进程（Zombie）的数据结构。在Linux进程的5种状态中，僵尸进程是非常特殊的一种，它已经放弃了几乎所 有内存空间，没有任何可执行代码，也不能被调度，仅仅在进程列表中保留一个位置，记载该进程的退出状态等信息供其他进程收集，除此之外，僵尸进程不再占有 任何内存空间。

僵尸进程的来由，要追溯到Unix，Unix的设计者们设计这个东西并非是因为闲来无事想装装酷什么的。上面说到，僵尸进程中保存着很多对程序员和 系统管理员非常重要的信息，首先，这个进程是怎么死亡的？是正常退出呢，还是出现了错误，还是被其它进程强迫退出的？也就是说，这个程序的退出码是什么？ 其次，这个进程占用的总系统CPU时间和总用户CPU时间分别是多少？发生页错误的数目和收到信号的数目。这些信息都被存储在僵尸进程中，试想如果没有僵 尸进程，进程执行多长我们并不知道，一旦其退出，所有与之相关的信息都立刻都从系统中清除，而如果此时父进程或系统管理员需要用到，就只好干瞪眼了。

所以，进程退出后，系统会把该进程的状态变成Zombie，然后给上一定的时间等着父进程来收集其退出信息，因为可能父进程正忙于别的事情来不及收集，所以，使用Zombie状态表示进程退出了，正在等待父进程收集信息中。

Zombie进程不可以用kill命令清楚，因为进程已退出，如果需要清除这样的进程，那么需要清除其父进程，或是等很长的时间后被内核清除。因为Zombie的进程还占着个进程ID号呢，这样的进程如果很多的话，不利于系统的进程调度。

下面，让我们来看看一个示例：

01	/* zombie.c */

02

#include

03	#include   main()

04

{

05	pid_t pid;

06	pid=fork();

07	if(pid<0) { /* 如果出错 */

08	printf("error occurred!\n");

09	}else if(pid==0){ /* 如果是子进程 */

10

exit(0);

11	}else{  /* 如果是父进程 */

12	sleep(60);  /* 休眠60秒 */

13	wait(NULL); /* 收集僵尸进程 */

14

}

15

}

编译这个程序：

1	$ cc zombie.c -o zombie

后台运行程序，以使我们能够执行下一条命令

1	$ ./zombie &

2

[1] 1217

列一下系统内的进程

1

$ ps -ax

2

... ...

3	1137   pts/0   S   0:00   -bash

4	1217   pts/0   S   0:00   ./zombie

5	1218   pts/0   Z   0:00   [zombie]

6	1578   pts/0   R   0:00   ps   -ax

其中的”Z”就是僵尸进程的标志，它表示1218号进程现在就是一个僵尸进程。

收集Zombie进程的信息，并终结这些僵尸进程，需要我们在父进程中使用waitpid调用和wait调用。这两者的作用都是收集僵尸进程留下的信息，同时使这个进程彻底消失。