Linux思维导图

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平均负载是指单位时间内，系统处于可运行状态和不可中断状态的平均进程数，也就是平均活跃进程数，它和 CPU 使用率并没有直接关系。这里我先解释下，可运行状态和不可中断状态这俩词儿。

可运行状态的进程，是指正在使用 CPU 或者正在等待 CPU 的进程，也就是我们常用 ps 命令看到的，处于 R 状态（Running 或 Runnable）的进程。

CPU 上下文切换


  1. CPU 寄存器，是 CPU 内置的容量小、但速度极快的内存。而程序计数器，则是用来存储 CPU 正在执行的指令位置、或者即将执行的下一条指令位置。它们都是 CPU 在运行任何任务前，必须的依赖环境，因此也被叫做 CPU 上下文。
  2. CPU 上下文切换，就是先把前一个任务的 CPU 上下文（也就是 CPU 寄存器和程序计数器）保存起来，然后加载新任务的上下文到这些寄存器和程序计数器，最后再跳转到程序计数器所指的新位置，运行新任务。而这些保存下来的上下文，会存储在系统内核中，并在任务重新调度执行时再次加载进来。这样就能保证任务原来的状态不受影响，让任务看起来还是连续运行。

  • CPU上下文切换细分: 进程上下文切换、线程上下文切换、中断上下文切换

  • 进程上下文切换

    • 进程在用户空间运行时，被称为进程的用户态，而陷入内核空间的时候，被称为进程的内核态。
    • 进程上下文切换，是指从一个进程切换到另一个进程运行。

  • 系统调用的过程发生 CPU 上下文的切换

    • CPU 寄存器里原来用户态的指令位置，需要先保存起来。接着，为了执行内核态代码，CPU 寄存器需要更新为内核态指令的新位置。最后才是跳转到内核态运行内核任务。而系统调用结束后，CPU 寄存器需要恢复原来保存的用户态，然后再切换到用户空间，继续运行进程。所以，一次系统调用的过程，其实是发生了两次 CPU 上下文切换。

  • 进程上下文切换跟系统调用区别

    • 进程是由内核来管理和调度的，进程的切换只能发生在内核态。所以，进程的上下文不仅包括了虚拟内存、栈、全局变量等用户空间的资源，还包括了内核堆栈、寄存器等内核空间的状态。
    • 进程的上下文切换就比系统调用时多了一步：在保存当前进程的内核状态和 CPU 寄存器之前，需要先把该进程的虚拟内存、栈等保存下来；而加载了下一进程的内核态后，还需要刷新进程的虚拟内存和用户栈。


  • 什么时候才会需要切换上下文
    • 只有在进程调度的时候，Linux 为每个 CPU 都维护了一个就绪队列，将活跃进程（即正在运行和正在等待 CPU 的进程）按照优先级和等待 CPU 的时间排序，然后选择最需要 CPU 的进程，也就是优先级最高和等待 CPU 时间最长的进程来运行。


  • 进程在什么时候才会被调度到 CPU 上运行呢？
    1. 进程执行完终止了，它之前使用的 CPU 会释放出来，这个时候再从就绪队列里，拿一个新的进程过来运行。
    2. 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，就会被系统挂起，切换到其它正在等待 CPU 的进程运行。
    3. 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行。
    4. 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度。
    5. 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行。
    6. 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序。
  • 线程与进程最大的区别
    • 线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。
    • 内核中的任务调度，实际上的调度对象是线程；而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。
    • 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程。
    • 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源。这些资源在上下文切换时是不需要修改的。
    • 线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。


  • 线程的上下文分两种情况
    • 前后两个线程属于不同进程。此时，因为资源不共享，所以切换过程就跟进程上下文切换是一样。
    • 前后两个线程属于同一个进程。此时，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

每次上下文切换都需要几十纳秒到数微秒的 CPU 时间。这个时间还是相当可观的，特别是在进程上下文切换次数较多的情况下，很容易导致 CPU 将大量时间耗费在寄存器、内核栈以及虚拟内存等资源的保存和恢复上，进而大大缩短了真正运行进程的时间。这也是导致平均负载升高的一个重要因素。

进程的状态

在Linux操作系统中,每个进程在每个时刻都是有状态的。可能的状态有6个,分别是可运行状态
可中断状态、可运行状态、可中断的睡眠状态、不可中断的睡眠状态、暂停状态或跟踪状态、僵尸状态和退出状态。

  • 可运行状态：如果一个进程处于该状态，那么说明它立刻要或正在CPU上运行。不过运行的时机是不确定的，这有进程调度器来决定
  • 可中断的睡眠状态：当进程正在等待某个事件(比如网络连接或信号量)到来时，会进入此状态。这样的进程会被
    放入对应事件的等待队列中，当事件发生时，对应的等待队列中的一个或多个进程就会被唤醒。
  • 不可中断的睡眠状态：此种状态与可中断的睡眠状态的唯一区别就是它不可被打断。这意味着处在此种状态的进程不会对任何信号
    作出相应。更确切地讲，发送给此状态的进程的信号直到它从该状态转出才会被传递过去。处于此状态的进程通常是在等待一个特殊的
    事件，比如等待同步的I/O操作完成。
  • 暂停状态或跟踪状态：向进程发送SIGSTOP信号，就会使该进程转入可运行状态，处于该状态的进程会暂停，并等待另一个进程（跟踪它的那个进程）对它进行操作
    例如：我们使用调试工具GDB在某个程序中设置一个断点，而后对应的进程在运行到该断点处就会停下来。这时，该进程就处于跟踪状态。
    跟踪状态与暂时状态非常相似。但是，向处于跟踪状态的进程发送SIGCONT信号并不能使它恢复。只有当调试进程进行了相应的系统调用或退出后，它才能够恢复。
  • 僵尸状态：处于此状态的进程即将结束运行，该进程占用的绝大多数资源也都已经被回收，不过还有一些信息未删除，比如退出码以及一些统计信息。之所以保留这些信息，主要是考虑到该进程的父进程可能需要他们，由于此时的进程主体已经被删除而只留下了一个空壳，所以称为僵尸状态。
  • 退出状态：在进程退出的过程中，有可能连退出码和统计信息都不需要保留，造成这种情况的原因可能是显式地让该进程的父进程忽略掉 SIGCHLD 信号（当一个进程消亡的时候，内核会给其父进程发送 SIGCHLD 信号以告之情况）也可能是该进程已经被分离（分离即让子进程和父进程分别独立运行）分离后的子进程不会再使用和执行与父进程共享的代码段中的指令。而是加载并运行一个全新的程序。在这些情况下，该进程在退出的时候就不会转入僵尸状态，而会直接转入退出状态。处于退出状态的进程会立刻被干净利落的结束掉。它占用的系统资源也会被操作系统自动回收

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