下面是Day 2 进程管理与调度的学习内容，包含讲解、演示命令、案例、练习、FAQ，让你从概念到排查问题逐步掌握。
Day 2：Linux 进程管理与调度（Process Management & Scheduler）
目标：掌握 Linux 进程的核心概念、CFS 调度原理、进程优先级及调度策略，学会使用调试工具定位 CPU 性能瓶颈和 lockup 问题。
2.1 进程与线程（Process vs Thread）
了解 Linux 如何管理进程、线程，掌握
task_struct的关键概念。
1）进程与线程的基本定义
-
进程（Process） 操作系统为正在运行的程序分配的独立资源单元。包括：
- 独立的虚拟内存空间
- 打开的文件描述符表
- 安全上下文（UID、GID、capabilities 等）
-
线程（Thread） 运行在同一进程内的轻量级执行单元，共享虚拟内存空间，但有自己独立的：
- 栈空间
- 程序计数器
- 调度信息
Linux 中的特殊点：
- Linux 不区分严格意义上的“进程”和“线程”，两者都由
task_struct表示。- 内核通过
clone()系统调用创建子任务，设置不同的CLONE_*标志位实现线程或进程的效果。
2）进程状态详解
用
ps -eo pid,state,cmd或top查看。
| 状态 | 名称 | 含义 | 常见场景 |
|---|---|---|---|
| R | Running/可运行 | 当前正在 CPU 上运行，或在运行队列中等待 | 高负载 CPU-bound 任务 |
| S | Interruptible Sleep | 可中断睡眠，等待事件或信号唤醒 | 网络 I/O，select/poll 等 |
| D | Uninterruptible Sleep | 不可中断睡眠，通常等待 I/O 完成 | 磁盘 I/O，NFS 卡住 |
| Z | Zombie | 僵尸进程，进程已退出但父进程未回收 | 父进程编写 Bug |
| T | Stopped/Traced | 停止运行，或被调试器挂起 | Ctrl+Z、ptrace 调试 |
3）实战：查看进程状态
# 启动一个 sleep 进程
sleep 300 &
ps -o pid,ppid,state,cmd -p $!
# 模拟停止进程
kill -STOP $!
ps -o pid,state,cmd -p $!
# 恢复运行
kill -CONT $!
ps -o pid,state,cmd -p $!
4）task_struct 关键字段
每个进程在内核中都由一个 task_struct 结构表示，位于 include/linux/sched.h。
核心字段：
| 字段 | 作用 |
|---|---|
pid | 进程 ID |
state | 当前进程状态 |
mm | 内存管理信息，指向 mm_struct |
files | 文件描述符表 |
prio / static_prio | 进程优先级 |
se | CFS 调度实体 |
cgroup | 进程所属的 cgroup |
5）练习题
- 使用
ps找出系统中所有状态为D的进程。 - 写一个 Python 脚本创建 5 个线程，用
ps -Lf <PID>查看线程信息。 - 通过
cat /proc/<PID>/status找到该进程的PPid和Threads字段。
2.2 调度器 (CFS - Completely Fair Scheduler)
Linux 默认使用 CFS（完全公平调度器），目标是 公平分配 CPU 时间。
1）CFS 基本原理
- CFS 将所有可运行进程放入红黑树（RB-tree）。
- 红黑树的 key：
vruntime（虚拟运行时间），运行时间短的任务优先。 - 当 CPU 空闲时，调度器选择 vruntime 最小 的进程运行。
示意图：
[进程 B: vruntime=5]
/ \
[进程 A:2] [进程 C:8]
运行后更新 vruntime，树自动调整，保证所有进程得到公平 CPU 时间。
2）负载相关指标
load average（平均负载）
-
使用
uptime或sar -q查看：uptime # 输出示例: load average: 3.25, 2.95, 2.88 -
含义：在给定时间窗口内，处于 R（运行）或 D（不可中断睡眠） 状态的平均进程数。
-
经验判断：
- Load ≈ CPU 核心数：正常。
- Load ≫ CPU 核心数：CPU 或 I/O 瓶颈。
Run Queue（运行队列）
-
查看当前排队进程数：
cat /proc/schedstat | head或
sar -q 1 3
3）优先级和 nice 值
| 类型 | 范围 | 默认值 |
|---|---|---|
| nice 值 | -20 ~ +19 | 0 |
| 优先级（PR） | 实时调度：1~99，普通调度：100+nice+20 | 普通进程约 120 |
# 启动一个高优先级任务
nice -n -10 dd if=/dev/zero of=/dev/null &
# 调整优先级
renice -n 5 -p <PID>
4）实时调度（Real-time scheduling）
- SCHED_FIFO：先进先出，无时间片。
- SCHED_RR：轮转，带时间片。
- SCHED_OTHER：普通 CFS 调度。
# 将进程切换为实时调度
sudo chrt -f -p 10 <PID>
chrt -p <PID>
⚠ 风险提示：实时任务可能导致系统卡死，测试环境操作！
2.3 调试与工具
1）top/htop/ps
-
top：查看实时 CPU 占用。-
重点字段：
%CPU：单核为 100%NI：nice 值PR：优先级S：进程状态
-
快捷键：
H显示线程，P按 CPU 排序。
-
-
htop：更直观，支持交互调整优先级。
2）pidstat
# 每秒刷新一次，显示所有进程 CPU 使用率
pidstat 1
# 查看某个 PID 的详细信息
pidstat -p <PID> 1
重点字段：
%usr：用户态 CPU 占比%system：内核态 CPU 占比%wait：等待 I/O 时间
3）perf top
实时分析 函数级 CPU 热点。
sudo perf top
输出示例：
20.54% [kernel] [k] copy_user_generic_unrolled
15.12% libc.so.6 [.] memcpy
8.73% my_app [.] process_data
4）ftrace / bpftrace
ftrace 查看调度事件
# 启用调度跟踪
echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
sleep 2
echo 0 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace
bpftrace 观察调度延迟
sudo bpftrace -e 'tracepoint:sched:sched_switch { printf("%d -> %d\n", args->prev_pid, args->next_pid); }'
5）Soft Lockup / Hard Lockup 排查
症状：系统卡死或响应极慢。
- Soft lockup：CPU 长时间未调度。
- Hard lockup：NMI 中断丢失。
排查路径：
-
查看
/proc/softirqs、/proc/interrupts。 -
启用 NMI watchdog：
sysctl kernel.nmi_watchdog=1 -
检查
dmesg输出：soft lockup - CPU#3 stuck for 23s!
Day 2 练习
练习 1：使用 pidstat 分析 CPU 占用
-
启动一个高 CPU 占用程序：
yes > /dev/null & -
运行：
pidstat 1 -
找出刚才的高 CPU 占用进程并记下 PID。
练习 2：模拟 soft lockup 并定位
// lockup.c
#include <unistd.h>
int main() {
while(1) {} // 无限循环，模拟 lockup
return 0;
}
gcc lockup.c -o lockup
./lockup &
- 检查
dmesg是否有soft lockup报告。 - 使用
perf top查看 CPU 消耗。
练习 3：调整进程优先级
- 启动两个
yes进程。 - 用
renice将一个进程的 nice 值调低（-10）。 - 用
top观察调度变化。
Day 2 FAQ
Q1：load average 一直很高，但 CPU 使用率不高？
A：可能是 D 状态进程积压，表示 I/O 阻塞。使用 iotop、iostat 排查磁盘瓶颈。
Q2：如何判断是软 lockup 还是硬 lockup？
-
dmesg报错中明确提示：soft lockup - CPU#2 stuck for 22s! hard lockup - CPU#0 NMI watchdog
Q3：nice 值调节对实时进程有效吗？
A：不生效。实时任务使用 chrt 控制。
Q4：僵尸进程如何清理？ A：杀死父进程，或修改父进程代码正确回收子进程。
Q5：perf 需要特殊权限吗？
A：需要 root 或调整 /proc/sys/kernel/perf_event_paranoid 值。
sudo sysctl kernel.perf_event_paranoid=1
Day 2 总结
- 进程管理核心：
task_struct、进程状态、线程与进程的关系。 - CFS 调度器通过红黑树保证公平性。
- 负载排查核心指标：
load average、Run Queue、进程优先级。 - 工具组合：
top→pidstat→perf top→ftrace/bpftrace。 - Soft/Hard lockup 是严重 CPU 问题，需要 NMI watchdog 配合定位。
下一步（Day 3 预告）：
将学习 内存管理与 OOM 问题排查，掌握 sar -r、slabtop、vmstat、/proc/meminfo 等工具，并模拟 OOM 崩溃。
