> 主要介紹Linux程式相關知識 及部分命令參考 -- By Firsouler 2021.1.12

### 1.概述

Linux是一個多使用者、多工的系統，能同時執行多個程式，從而產生多個程式。Linux程式中，程式和執行緒沒有什麼區別。Linux中的程式是一個資料結構，如下：

```
struct task_struct {
    // 程式狀態
    long              state;
    // 虛擬記憶體結構體
    struct mm_struct  *mm;
    // 程式號
    pid_t              pid;
    // 指向父程式的指標
    struct task_struct __rcu  *parent;
    // 子程式列表
    struct list_head        children;
    // 存放檔案系統資訊的指標
    struct fs_struct        *fs;
    // 一個陣列，包含該程式開啟的檔案指標
    struct files_struct        *files;
};
```
簡單來說，程式主要是：
- 每執行一個程式都稱為一個程式，每一個程式都分配一個ID號。
- 每個程式都對應一個父程式，父程式可以複製多個子程式
- 每個程式有兩種方式，前臺和後臺，前臺指使用者螢幕上可以操作，後臺是實際操作
- 一般的系統服務都是後臺程式方式存在，常駐系統中，直到關機結束。

程式主要有三種型別，使用者程式(User Processes):使用者賬戶活動、守護程式()Deamon processes)：後臺程式和核心程式(Kernel Processes)

>核心程式僅在核心空間（kernel space）當中執行。核心程式與守護程式有些相似；它們之間主要的不同在於：核心程式對核心資料結構擁有完全的訪問許可權。此外，核心程式不如守護程式靈活：修改配置檔案並觸發過載即可修改守護程式的行為；但對於核心程式來說，修改行為則需要重新編譯核心本身。
### 2.具體介紹
程式主要分為六種狀態，分別是R/S/D/T/Z/X
#### 2.1.執行狀態 -R
只有在該狀態下，程式才能在CPU上執行，其他可執行程式需要排隊（一個程式最多隻能出現在一個cpu佇列中，這也是程式排程器主要任務）。正在CPU執行的程式和可執行尚未被跳讀執行的程式統一稱為TASK__RUNNING狀態

#### 2.2.可中斷的睡眠狀態-S
 該程式需要等某個事件（如訊號量、socket連線等）而被掛起。這些程式的task_struct結構被放入對應事件的等待佇列中。當這些事件發生時（由外部中斷觸發、或由其他程式觸發），對應的等待佇列中的一個或多個程式將被喚醒。
 
#### 2.3.不可中斷進的睡眠狀態 -D
 與task_interruptible狀態類似，程式處於睡眠狀態，但是此刻程式是不可中斷的。不可中斷，指的並不是CPU不響應外部硬體的中斷，而是指程式不響應非同步訊號。該狀態程式無法kill，除了等待，另一種辦法是重啟作業系統。
 
 >  處於uninterruptible sleep狀態的程式通常是在等待IO，比如磁碟IO，網路IO，其他外設IO，如果程式正在等待的IO在較長的時間內都沒有響應，那麼就被ps看到了，同時也就意味著很有可能有IO出了問題，可能是外設本身出了故障，也可能是比如掛載的遠端檔案系統已經不可訪問了.--當處於uninterruptibly sleep 狀態時，只有當程式從system 呼叫返回時，才通知signal

#### 2.4.暫停狀態或跟蹤狀態 -T

向程式傳送一個sigstop訊號，它就會因響應該訊號而進入task_stopped狀態。如果本身為不可中斷的睡眠狀態，就不相應。 如果傳送sigcont訊號，可以讓程式從task_stoped狀態恢復到task_running狀態。

task_traced狀態相當於在task_stopped之上多了一層保護，處於task_traced狀態的程式不能響應sigcont訊號而被喚醒。只能等到除錯程式透過ptrace系統呼叫執行ptrace_cont、ptrace_detach等操作（透過ptrace系統呼叫的引數指定操作），或除錯程式退出，被除錯的程式才能恢復task_running狀態。

>當程式正在被跟蹤時，它處於task_traced這個特殊的狀態。“正在被跟蹤”指的是程式暫停下來，等待跟蹤它的程式對它進行操作。比如在gdb中對被跟蹤的程式下一個斷點，程式在斷點處停下來的時候就處於task_traced狀態。而在其他時候，被跟蹤的程式還是處於前面提到的那些狀態

#### 2.5.殭屍程式

程式在退出的過程中，處於TASK_DEAD狀態。在這個退出過程中，程式佔有的所有資源將被回收，除了task_struct結構（以及少數資源）以外。於是程式就只剩下task_struct這麼個空殼，故稱為殭屍。

> 如果父程式結束了，init程式會自動接受，清理相關子程式。如果父程式是一個迴圈，那麼子程式就會一直保持殭屍狀態。

處理殭屍程式的辦法
- 改寫父程式
- kill父程式
- 重啟系統

#### 2.6.退出狀態
> exit_dead狀態是非常短暫的，幾乎不可能透過ps命令捕捉到。

### 3.程式狀態變化說明

#### 3.1程式的初始狀態
程式是透過fork系列的系統呼叫（fork、clone、vfork）來建立的，核心（或核心模組）也可以透過kernel_thread函式建立核心程式。這些建立子程式的函式本質上都完成了相同的功能——將呼叫程式複製一份，得到子程式。（可以透過選項引數來決定各種資源是共享、還是私有。）

既然呼叫程式處於task_running狀態,則子程式預設也處於task_running狀態。

另外，在系統呼叫呼叫clone和核心函式kernel_thread也接受clone_stopped選項，從而將子程式的初始狀態置為 task_stopped。

#### 3.2程式狀態的變遷
> 兩個方向：從task_running狀態變為非task_running狀態、或者從非task_running狀態變為task_running狀態

如果給一個task_interruptible狀態的程式傳送sigkill訊號，這個程式將先被喚醒（進入task_running狀態），然後再響應sigkill訊號而退出（變為task_dead狀態）。並不會從task_interruptible狀態直接退出。

程式從非task_running狀態變為task_running狀態，是由別的程式（也可能是中斷處理程式）執行喚醒操作來實現的。執行喚醒的程式設定被喚醒程式的狀態為task_running，然後將其task_struct結構加入到某個cpu的可執行佇列中。於是被喚醒的程式將有機會被排程執行。
 
 程式從task_running狀態變為非task_running狀態，則有兩種途徑：
-  響應訊號而進入task_stoped狀態、或task_dead狀態；
-  執行系統呼叫主動進入task_interruptible狀態（如nanosleep系統呼叫）、或task_dead狀態（如exit系統呼叫）；或由於執行系統呼叫需要的資源得不到滿足，而進入task_interruptible狀態或task_uninterruptible狀態（如select系統呼叫）。

顯然，這兩種情況都只能發生在程式正在cpu上執行的情況下。

### 4.常用命令參考：

```
#檢視程式
ps -aux |more
# user 			使用者名稱稱
# pid				程式號
# %cpu			程式佔用cpu百分比
# %%mem			程式佔用實體記憶體的百分比
# vsz				程式佔用虛擬記憶體的大小
# rss				程式佔用實體記憶體的大小
# tty				終端名稱(後臺則為?)
# stat			程式狀態
# 	S:睡眠
# 	s:會話的先導程式
# 	N:程式擁有比普通優先順序更低的優先順序
# 	R:正在執行
# 	D:短期等待
# 	Z:殭屍程式
# 	T:被跟蹤或者被停止
# start			程式啟動時間
# time			使用cpu總時間
# command		啟動程式所用的命令和引數，如果過長會被截斷顯示

ps -ef |more
#uid 			使用者id
#pid				程式id
#ppid			父程式id
#C				程式佔cpu百分比
#stime			程式啟動時間
#tty				終端名稱(後臺則為?)
#cmd				啟動程式所用的命令和引數

-------------------------------------------------------------------------
#檢視程式樹
pstree

#程式io相關,eg
pidstat  -d 1 10 #程式 io讀寫情況 -p 某個程式

#列印正在執行的程式的棧跟蹤資訊
pstack [pid]  #pstack是gdb的一部分,yum gdb即可

#顯示執行緒執行時間
ps -eLo pid,lwp,pcpu |grep   #LWP XXXX

#其他命令，如
strace  #跟蹤程式
ptrace # 程式跟蹤
perf  #效能分析
oprofile #效能測試工具
```

### 5.程式、執行緒和協程
程式是資源分配的基本單位，執行緒是資源排程的基本單位
#### 4.1程式
程式是作業系統對一個正在執行的程式的抽象，一個系統可同時執行多個程式，每個程式都好像獨佔硬體。併發指一個程式和另一個程式的指令是交錯執行的。作業系統實現這種交錯執行的機制稱為上下文切換。

作業系統保持跟蹤程式執行所需要的所有狀態資訊。這種狀態就是上下文，包括例如PC和暫存器檔案的當前值，以及主存的內容。任何時刻，但處理器系統只能執行一個程式的程式碼，如果作業系統決定把控制權轉移到新的程式上，就會進行上下文切換。

#### 4.2執行緒
一個程式可以由多個執行緒的執行單元組成，每個執行緒都執行在程式的上下文中，並共享同樣的程式碼和全域性資料。程式的個體間是完全獨立的，執行緒是彼此依存的。多程式環境中，程式終止不影響其他，多執行緒環境，父執行緒終止，全部子執行緒被迫終止。

linux中的執行緒，輕量級的程式表示。

#### 4.3協程
協程是使用者模式下的輕量級執行緒，更準確叫使用者空間執行緒。協程程式是線上程裡面跑的，因此協程又稱微執行緒和纖程等。

協沒有執行緒的上下文切換消耗。協程的排程切換是使用者(程式設計師)手動切換的,因此更加靈活,因此又叫使用者空間執行緒.

原子操作性。由於協程是使用者排程的，所以不會出現執行一半的程式碼片段被強制中斷了，因此無需原子操作鎖。

#### 參考 4.4
https://juejin.cn/post/6844903607892967432
https://segmentfault.com/a/1190000020305826

### 6.其他知識

###### cgroups 
groups 是Linux核心提供的一種可以限制單個程式或者多個程式所使用資源的機制，可以對 cpu，記憶體等資源實現精細化的控制，目前越來越火的輕量級容器 Docker 就使用了 cgroups 提供的資源限制能力來完成cpu，記憶體等部分的資源控制。

###### 程式間通訊
每個程式各自有不同的使用者地址空間，任何一個程式的全域性變數在另一個程式中都看不到，所以程式之間要交換資料必須透過核心，在核心中開闢一塊緩衝區，程式1把資料從使用者空間拷到核心緩衝區，程式2再從核心緩衝區把資料讀走，核心提供的這種機制稱為程式間通訊（IPC，InterProcess Communication）

### 7.參考：
1.https://labuladong.gitbook.io/algo/di-wu-zhang-ji-shu-wen-zhang-xi-lie/linux-jin-cheng

2.https://cloud.tencent.com/developer/article/1648037

3.https://blog.51cto.com/363918/637406

4.https://www.jianshu.com/p/c1015f5ffa74

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