2.3 進程、線程

AIX操作系統(tǒng)屬于多任務(wù)系統(tǒng)，允許同時執(zhí)行多個程序。那么程序和進程、線程有什么關(guān)系？

2.3.1 進程、線程、優(yōu)先級概念

系統(tǒng)中執(zhí)行的程序被稱為進程。為了提高運行效率，進程可以被拆分成多個線程執(zhí)行（需要程序本身支持，采用多線程編寫方式編寫），每個CPU在同一時刻，只能執(zhí)行一個線程，一個線程執(zhí)行完畢退出（或者自己主動進入睡眠狀態(tài)）、線程等待其他外設(shè)（IO操作）、有更高優(yōu)先級的中斷發(fā)生（在vmstat命令輸出中表現(xiàn)為一次in，即一次Interrupt）、或者達(dá)到了此線程最大允許運行時間，操作系統(tǒng)就會強制進行線程切換（在vmstat命令輸出中表現(xiàn)為一次cs，即一次Content Switch），讓CPU去執(zhí)行另一個線程。

在AIX操作系統(tǒng)中，所有等待執(zhí)行的線程都放在運行隊列里面，每隔10 ms，操作系統(tǒng)重新計算線程的優(yōu)先級（也就是每隔10ms，線程的執(zhí)行順序會重新排列），CPU優(yōu)先執(zhí)行隊列前面的幾個線程（每個CPU執(zhí)行一個線程，n個CPU的系統(tǒng)則可以同時執(zhí)行隊列前n個線程）。如果CPU正在執(zhí)行一個線程，此線程的優(yōu)先級在計算時就會被降低（當(dāng)使用默認(rèn)的調(diào)度模式時），因此如果一個線程長時間占據(jù)CPU，它的優(yōu)先級會越來越低。如果下一次優(yōu)先級計算的時候，另一個線程的優(yōu)先級高于此線程，則CPU就會將此線程“踢”到等待隊列里面（執(zhí)行隊列中靠后的位置），而去執(zhí)行另一個更高優(yōu)先級（執(zhí)行隊列中靠前的位置）的線程。線程本身也會由于IO、任務(wù)執(zhí)行結(jié)束休眠等原因，自己降低執(zhí)行優(yōu)先級，而進入等待隊列。

一個4 CPU的系統(tǒng)可以用這樣的情況來比喻：這是一個有人監(jiān)督管理的排隊隊列，有4個窗口在進行處理，每個窗口有2個工作人員，一個審核，一個蓋章（這就是4個CPU開啟了SMT的情況）。這樣這個系統(tǒng)可以同時讓8個人到窗口（相當(dāng)于8個線程），但是由于窗口只有4個，所以前4個人能夠遞交審核，另外4個需要稍等片刻。審核的時間有長有短，以第一窗口為例，審核結(jié)束，交給蓋章的人處理，這是第二個人就可以遞交自己的文件等待審核，而第一個人要等待文件蓋章，任務(wù)還沒有執(zhí)行完。這就是SMT啟動的情況：有時可以并行兩條指令，有時則不行。

可能第二個人審核的時候，發(fā)現(xiàn)材料不全，要求他再準(zhǔn)備（這就是等待IO），這個人就只好排到隊列后面，慢慢找材料（進行IO處理），系統(tǒng)又可以分派一個人到第一窗口。此時第一窗口蓋章工作結(jié)束，第一個人拿著完整材料退出（相當(dāng)于執(zhí)行完操作），又有一個新人被指派到第一窗口。也就是永遠(yuǎn)都有兩個人在一個窗口（一個CPU），這就是SMT的功能。

我們再來看那個準(zhǔn)備材料的人，假如他已經(jīng)準(zhǔn)備好，此時就可以向管理隊列的人申請“加塞兒”（提高優(yōu)先級），管理人員看到他是由于準(zhǔn)備材料而離開，則允許插隊，從隊列的后面插到隊列前面，那么下一個空閑窗口處理的人就可能是他。

要是此時又進來一個人，拿著領(lǐng)導(dǎo)批條（也就是更高優(yōu)先級的中斷產(chǎn)生了），管理人員不敢怠慢，甚至讓當(dāng)前正在處理的一個窗口停下來，先把他攆回隊列（在隊列中的位置根據(jù)已經(jīng)處理的時間長短決定，如果已經(jīng)處理了很長時間，則排在隊列靠后，否則靠前），讓這個優(yōu)先級高的人先處理。

實際情況與以上排隊情況類似如圖2-7所示，優(yōu)先級總計128級，0為最高級，127為最低級，雖然是一個大隊列，但是在每個級別可能有多個等待線程，當(dāng)輪到此優(yōu)先級線程執(zhí)行的時候，具有相同優(yōu)先級的線程按一定順序關(guān)系（線程調(diào)度規(guī)則）先后執(zhí)行。

優(yōu)先級少于40（優(yōu)先級較高，數(shù)值越低優(yōu)先級越高）的線程為系統(tǒng)內(nèi)核線程。每個普通線程的默認(rèn)優(yōu)先級是60，通過nice命令可以增加或者減少優(yōu)先級，上下幅度為20，這樣一個普通程序的優(yōu)先級可以在40~80之間的變化范圍。除了nice之外，還有一些數(shù)值是由占用CPU時間片產(chǎn)生的所謂CPU懲罰值確定的，占用CPU時間片越長，優(yōu)先級越低。

圖2-7 AIX線程調(diào)度中的128級優(yōu)先級和等待隊列

操作系統(tǒng)有幾種調(diào)度模式和參數(shù)控制線程優(yōu)先級，在默認(rèn)模式下，通過修改這些參數(shù)（使用schedutune命令），能夠?qū)PU執(zhí)行線程情況產(chǎn)生很多影響：

（1）加快線程切換速度，對OLTP（OnLine Transaction Process在線交易，例如銀行窗口，需要交互輸入輸出）一類業(yè)務(wù)有好處，可以讓交易更快地得到響應(yīng)。方法是通過參數(shù)加快占據(jù)CPU資源的線程的優(yōu)先級衰減，盡快進行進程切換。

（2）延長每個線程執(zhí)行時間，有益于計算性業(yè)務(wù)（大量查詢、報表、統(tǒng)計、科學(xué)計算）。由于每次切換都有不必要的操作系統(tǒng)處理，讓每個線程執(zhí)行時間最長可以更快速完成線程的工作。

（3）將某個進程（及其線程）與某個CPU綁定，防止此進程的過渡耗費系統(tǒng)CPU資源，將其占用量限制在某（幾）個CPU。

而AIX系統(tǒng)有更多的預(yù)先定義的進程調(diào)度規(guī)則，影響具有相同優(yōu)先級的進程（隊列）：

（1）SCHED_FIFO，先進先出模式。如果設(shè)定此種規(guī)則，則線程會持續(xù)執(zhí)行，直到自動退出、被終止或者更高優(yōu)先級的線程需要執(zhí)行。只有固定優(yōu)先級線程才可以使用此方式。

（2）SCHED_RR，循環(huán)模式。如果某個線程用完CPU時間片，將被扔到隊列中的最后排隊。也是只有固定優(yōu)先級的線程才能使用這種規(guī)則。

（3）SCHED_OTHER，這種策略在POSIX標(biāo)準(zhǔn)1003.4a中定義，每個時間片后都重新計算線程優(yōu)先級。

（4）SCHED_FIFO2，與SCHED_FIFO相同，除了一點：只允許某個線程處于隊列首位一定的時間，而不允許無限期執(zhí)行它。此策略的意思是盡力保證執(zhí)行此線程，但到了一定時間還是禁止它永遠(yuǎn)占據(jù)CPU。這個時間可以用schedtune –a參數(shù)控制。

（5）SCHED_FIFO3，屬于SCHED_FIFO3策略的線程永遠(yuǎn)占據(jù)執(zhí)行隊列首位（在同一優(yōu)先級隊列中），為了防止屬于SCHED_FIFO2規(guī)則的線程占據(jù)在屬于SCHED_FIFO3規(guī)則線程之前，一旦一個SCHED_FIFO3線程進入隊列，隊列規(guī)則參數(shù)即被修改，以阻止SCHED_FIFO2規(guī)則對此優(yōu)先級隊列起作用。也就是說，F(xiàn)IFO3的線程會屏蔽屬于同一優(yōu)先級的FIFO2線程。

（6）SCHED_FIFO4，SCHED_FIFO4規(guī)則使即使有高優(yōu)先級線程進入隊列，如果低優(yōu)先級線程只比它低一個等級（優(yōu)先級數(shù)字多1），那么低優(yōu)先級線程仍將繼續(xù)占據(jù)此CPU。

控制命令（AIX 5.2以前版本，注意，數(shù)字越小，優(yōu)先級越高）：

        #/usr/samples/kernel/schedtune      → 控制CPU線程調(diào)度參數(shù)
        -t                                      → 修改時間片大小
        -r -d                                   → 配合使用修改線程優(yōu)先級衰減控制

比較小的r使得線程優(yōu)先級計算變化范圍縮減，nice對程序的優(yōu)先級控制更加明顯；

比較大的r則相反，線程優(yōu)先級計算變化跨度加大，nice作用更為不明顯；

比較小的d增大了CPU懲罰值，加速線程切換；

比較大的d減少了CPU占用懲罰，降低線程切換。

        -D                             → 將所有的schedtune參數(shù)都恢復(fù)為默認(rèn)值；
        #vmo                           → AIX 5.2以后提供的新命令，類似vmtune
        #schedo                        → AIX 5.2以后提供的新命令，類似schedtune
        #bindprocessor -q            → 查看可用的CPU
        #bindprocessor 13039 3      → 將進程13039綁定到第3號CPU（不可以用其他的CPU）
        #bindprocessor -u 13039     → 解除對13039的綁定
        #nice -5 vmstat 10 3         → 設(shè)定vmstat進程的優(yōu)先級（降低5，從60降低到65）
        #nice --5 vmstat 10 3       → 設(shè)定優(yōu)先級，提高5，從60提高到55）
        #renice -5 7569              → 重新調(diào)整進程7569的優(yōu)先級（在原來基礎(chǔ)之上提高5）

對于CPU的使用情況，可以通過vmstat命令查看：

        #vmstat 1 5     →每個一秒顯示一次，共顯示10次系統(tǒng)狀況。
        System Configuration: lcpu=16 mem=31488MB
        kthr      memory              page                faults              cpu
        -----  -----------   ------------------------  ------------    -----------
          r  b    avm   fre     re  pi  po  fr   sr  cy  in     sy   cs   us sy id wa
          4  2 3127273  3272   0   4   8  338  937  0  2357 22962 1561  13  1 83  3
          5  3 3127257  1556   0   4   0    0     0  0  2890 15790 2165  20  0 59 21
          2  4 3127903   958   0   7   4 1014 1673  0  2353  7290 1670  17  1 53 29
          3  3 3127948   966   0  23  12 1392 2693  0  2620  7943 1779  18  1 62 19
          3  3 3128040   968   0  43   7 1524 3643  0  2898 16537 2938  22  1 62 15

其中各項含義如下。

r：當(dāng)前在隊列中等待執(zhí)行的線程數(shù)，如果這個數(shù)值經(jīng)常非常大（例如達(dá)到2~5倍以上的CPU數(shù)），就說明系統(tǒng)中等待執(zhí)行的線程比較多，可能存在性能問題。注意，對于大型應(yīng)用系統(tǒng)，需要執(zhí)行的線程非常多，所以等待隊列中經(jīng)常有個位數(shù)的數(shù)字是很正常的情況，并不是說只有等待隊列永遠(yuǎn)是0，才說明系統(tǒng)的CPU滿足了要求。

b：當(dāng)前隊列中處于等待狀態(tài)的線程，由于IO（存儲、網(wǎng)絡(luò)）操作未完成，無法繼續(xù)執(zhí)行，必須掛起，此時CPU可以切換到另外一個線程操作。顯然，如果有很多（大于2~5倍CPU數(shù)）線程處于b狀態(tài)，系統(tǒng)就可能有IO瓶頸。

avm：Active Memory，而不是available memory！這是經(jīng)常被理解錯誤的一項，它等于當(dāng)前使用的物理內(nèi)存和使用的交換區(qū)的總和減去作為文件系統(tǒng)緩存的物理內(nèi)存，單位為4KB，即一個內(nèi)存頁。

fre：空閑的物理內(nèi)存，單位為4KB。

pi：在vmstat兩次檢查間隔期間，系統(tǒng)將磁盤交換區(qū)讀回物理內(nèi)存頁的數(shù)量。通常多是內(nèi)存不夠的表現(xiàn)。

po：在vmstat兩次檢查間隔期間，系統(tǒng)將物理內(nèi)存頁交換到磁盤的數(shù)量。越多代表系統(tǒng)內(nèi)存越緊張，但偶爾出現(xiàn)的pi, po并不能說明任何問題，而且通常系統(tǒng)大量文件操作（例如文件系統(tǒng)備份/恢復(fù)，tar操作等），往往伴隨著大量的pi, po，這都是正常現(xiàn)象。

re：pi/po，數(shù)值長期趨近于1，并且pi, po都很大，說明系統(tǒng)可能有thrash（抖動）的現(xiàn)象，即剛交換出去的內(nèi)存馬上又需要使用，必須交換回來，物理內(nèi)存可能嚴(yán)重不足。

fr：代表在此段時間內(nèi)，有多少不使用的物理內(nèi)存被釋放，可能是內(nèi)存頁被程序釋放，也可能是已經(jīng)將其內(nèi)存交換到了磁盤。

sr：代表在此段時間內(nèi)，由于有內(nèi)存使用申請，而物理內(nèi)存空閑不足，進行少內(nèi)存頁搜索的頁數(shù)。此數(shù)值越大，代表內(nèi)存申請越多，也就是內(nèi)存需要量比較大。

cy：進行內(nèi)存搜索、清理消耗的時鐘周期，此數(shù)值越大，說明內(nèi)存越緊張，操作系統(tǒng)用了過多的時間進行內(nèi)存清理。當(dāng)然，也有可能系統(tǒng)內(nèi)的程序調(diào)度（起/停）過于頻繁。無論如何，cy多大都說明當(dāng)前內(nèi)存使用、管理方面需要仔細(xì)分析。

in：中斷次數(shù)，在此段時間內(nèi)由各種不同原因產(chǎn)生的中斷次數(shù)，中斷的原因可能是CPU處理時間片到期、設(shè)備IO產(chǎn)生中斷等。vmstat –i可以查看更詳細(xì)的關(guān)于中斷的信息

cs：上下文切換，對于一個CPU，當(dāng)正在執(zhí)行的線程與即將執(zhí)行的線程不是同一個的時候，就會產(chǎn)生一個cs（Content Switch）。有三種情況會導(dǎo)致cs：當(dāng)前線程等待資源（磁盤/網(wǎng)絡(luò)IO完成），線程自己要求sleep或等待資源解鎖；更高優(yōu)先等級線程要求CPU；此線程用盡了10ms時間片。由于自然情況下，每CPU可以產(chǎn)生100次線程切換（10ms一次），所以cs次數(shù)除以vmstat的間隔時間，再除以CPU個數(shù)可以用來判斷系統(tǒng)繁忙的指標(biāo)之一，這個數(shù)字如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于100（通常是10~20倍以內(nèi)的比例，即每個CPU對應(yīng)1000~2000次cs都算正常），則可能有CPU瓶頸。對于最新的P5系列CPU，由于支持SMT，一個物理CPU同時支持2個線程，則可以考慮再除2或1.5，以進行合理的判斷。

sy：（在faults區(qū)的sy）此時間段內(nèi)系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)，用戶程序執(zhí)行過程中發(fā)出系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)用申請，以便普通用戶請求核心操作，例如進行磁盤IO等操作。

us：系統(tǒng)中用戶操作所占CPU時間百分比。

sy：（在cpu區(qū)的sy）系統(tǒng)中系統(tǒng)調(diào)用所占CPU時間百分比。

id：系統(tǒng)中CPU的空閑時間百分比。

wa：系統(tǒng)等待磁盤IO所占時間百分比（此時CPU閑置）。

在進行了CPU共享（需要POWER 5并購買微分區(qū)功能才支持）的機器上，還有另外兩項，pc和ec，pc代表實際分配給此分區(qū)的CPU數(shù)量（可能是小數(shù)，以1%為單位），而ec代表授權(quán)此分區(qū)使用CPU的數(shù)量與實際使用的比例（超出100時說明當(dāng)前分區(qū)臨時使用了超過了指派給它的CPU資源）。

2.3.2 查看系統(tǒng)進程情況

下面的命令可以看到系統(tǒng)全部進程情況：

        #ps -ef

如果想看到各個進程占用CPU情況，可以用下面的命令：

        #ps aux

以下命令查看用戶guest的進程CPU使用：

        #ps -lu guest
          F     S UID   PID PPID   C PRI NI ADDR    SZ    WCHAN    TTY  TIME CMD
        241801 S 200 7032 7286   0  60 20 1b4c   108            pts/2  0:00 ksh
        200801 S 200 7568 7032   0  70 25 2310    88  5910a58  pts/2  0:00 vmstat
        241801 S 200 8544 6494   0  60 20 154b   108             pts/0  0:00 ksh

其中，

PRI：進程/線程優(yōu)先級。

NI：nice的設(shè)定值。

SZ等參數(shù)和進程使用的內(nèi)存有關(guān)，在本書下一章節(jié)有詳細(xì)介紹。

下面的命令可以看到系統(tǒng)全部線程情況：

        #ps -kef

2.3.3 zombie（僵尸進程）

如果由于程序的原因，某個子程序的父進程一直沒有收到子程序的SIGCHLD信號，即使這個子程序已經(jīng)釋放了所有資源（已經(jīng)退出），但仍然占據(jù)著進程表中一個位置，這種程序被叫做：Zombie（僵尸進程），ps –ef結(jié)果中顯示的程序名是<defunct>。

        $ps -ef
        ....F  S UID PID PPID    C PRI NI ADDR SZ  TTY TIME CMD
        200003 A 0     1      0    0 60  20 500a 704    - 0:03 init
        240401 A 0  2502     1    0 60  20 d2da 40     - 0:00 uprintfd
        240001 A 0  2622 2874    0 60  20 2965 5208   - 0:46 X
        40001  A 0  2874     1    0 60  20 c959 384    - 0:00 dtlogin
        50005  Z 0  3776     1    1 68  24 0:00 <defunct>
        40401  A 0  3890     1    0 60  20 91d2 480    - 0:00 errdemon
        240001 A 0  4152     1    0 60  20 39c7 88     - 0:21 syncd
        240001 A 0  4420 4648    0 60  20 4b29 220    - 0:00 writesrv
        240001 A 0  4648     1    0 60  20 b1d6 308    - 0:00 srcmstr
        50005  Z 0 10072     1    0 68  24 0:00 <defunct>
        50005  Z 0 10454     1    0 68  24 0:00 <defunct>

只查看僵尸進程用如下命令：

        #ps as <defunct>

如圖2-8所示，進程由fork()函數(shù)啟動，在Idle狀態(tài)等待分配CPU資源，直到進入CPU執(zhí)行隊列而被激活；如果進程收到Stop信號，就被置于后臺等待狀態(tài)，而通過激活可以重新進入執(zhí)行隊列；進程執(zhí)行一段時間之后會被交換出去在隊列中排隊，等待重新獲得CPU；當(dāng)程序退出時，會暫時處于Zombie狀態(tài)，但正常情況下，很快就會徹底退出，如果不能完成退出動作，進程就變成了僵尸進程，永遠(yuǎn)存在于系統(tǒng)進程表中，直到系統(tǒng)重新啟動。通常僵尸進程除了占用進程號之外，不會消耗其他的系統(tǒng)資源，例如CPU，內(nèi)存，但并不能一定保證如此，因此如果系統(tǒng)中有很多僵尸進程，建議重新啟動計算機以清除。

圖2-8 進程狀態(tài)、關(guān)系圖

2.3.4 進程定時執(zhí)行控制

另一種對于進程的控制是定時啟動。cron守護進程可以用來定時啟動進程，該進程的控制文件是crontab文件，存放于/var/spool/cron/目錄中，以用戶名為文件名，如root用戶的crontab文件就是/var/spool/cron/root。AIX支持AT&T風(fēng)格crontab文件，每條包含下列格式：

        mm  hh  dd  mm  ww  command

mm：分鐘（0~59）

hh：小時（0~23）

dd：日期（1~31）

mm：月（1~12）

ww：星期的日子（0~6，從星期六到星期天）

command：需要執(zhí)行的shell命令

如果希望多次執(zhí)行，可以連續(xù)寫多個分鐘、小時、日期，中間用逗號隔開（注意無空格），如果此時間沒有要求，則添加星號填充空位。

crontab –e可以編輯自己的crontab，使用何種編輯器取決于EDITOR變量值。從編輯環(huán)境保存并且退出后，crontab文件即時生效。使用crontab –l可以顯示crontab的內(nèi)容。

由于crontab的執(zhí)行是由root用戶進程調(diào)用的，因此執(zhí)行的環(huán)境變量也是root用戶的，建議在crontab執(zhí)行的腳本中把相關(guān)的環(huán)境變量設(shè)置好，以防止執(zhí)行時出現(xiàn)環(huán)境變量不匹配的問題。

crontab執(zhí)行過程中，如果出現(xiàn)錯誤，將會向所有這賬戶發(fā)送郵件，該用戶登錄系統(tǒng)的時候會有You have new mail提示，可以用mail命令查看（子命令h查看標(biāo)題，d刪除）。