CPU性能篇-系统中出现大量不可中断进程和僵尸进程处理案例
1 进程状态
当 iowait 升高时,进程很可能因为得不到硬件的响应,而长时间处于不可中断状态。从 ps 或者 top 命令的输出中,你可以发现它们都处于 D 状态,也就是不可中断状态(Uninterruptible Sleep)。既然说到了进程的状态,进程有哪些状态你还记得吗?我们先来回顾一下。
top 和 ps 是最常用的查看进程状态的工具,我们就从 top 的输出开始。下面是一个 top 命令输出的示例,S 列(也就是 Status 列)表示进程的状态。从这个示例里,你可以看到 R、D、Z、S、I 等几个状态,它们分别是什么意思呢?
1 | top |
我们挨个来看一下:
- R 是 Running 或 Runnable 的缩写,表示进程在 CPU 的就绪队列中,正在运行或者正在等待运行。
- D 是 Disk Sleep 的缩写,也就是不可中断状态睡眠(Uninterruptible Sleep),一般表示进程正在跟硬件交互,并且交互过程不允许被其他进程或中断打断。
- Z 是 Zombie 的缩写,如果你玩过“植物大战僵尸”这款游戏,应该知道它的意思。它表示僵尸进程,也就是进程实际上已经结束了,但是父进程还没有回收它的资源(比如进程的描述符、PID 等)。
- S 是 Interruptible Sleep 的缩写,也就是可中断状态睡眠,表示进程因为等待某个事件而被系统挂起。当进程等待的事件发生时,它会被唤醒并进入 R 状态。
- I 是 Idle 的缩写,也就是空闲状态,用在不可中断睡眠的内核线程上。前面说了,硬件交互导致的不可中断进程用 D 表示,但对某些内核线程来说,它们有可能实际上并没有任何负载,用 Idle 正是为了区分这种情况。要注意,D 状态的进程会导致平均负载升高, I 状态的进程却不会。
当然了,上面的示例并没有包括进程的所有状态。除了以上 5 个状态,进程还包括下面这 2 个状态。
第一个是 T 或者 t,也就是 Stopped 或 Traced 的缩写,表示进程处于暂停或者跟踪状态。
向一个进程发送 SIGSTOP 信号,它就会因响应这个信号变成暂停状态(Stopped);再向它发送 SIGCONT 信号,进程又会恢复运行(如果进程是终端里直接启动的,则需要你用 fg 命令,恢复到前台运行)。
而当你用调试器(如 gdb)调试一个进程时,在使用断点中断进程后,进程就会变成跟踪状态,这其实也是一种特殊的暂停状态,只不过你可以用调试器来跟踪并按需要控制进程的运行。
另一个是 X,也就是 Dead 的缩写,表示进程已经消亡,所以你不会在 top 或者 ps 命令中看到它。
了解了这些,我们再回到今天的主题。先看不可中断状态,这其实是为了保证进程数据与硬件状态一致,并且正常情况下,不可中断状态在很短时间内就会结束。所以,短时的不可中断状态进程,我们一般可以忽略。
但如果系统或硬件发生了故障,进程可能会在不可中断状态保持很久,甚至导致系统中出现大量不可中断进程。这时,你就得注意下,系统是不是出现了 I/O 等性能问题。
再看僵尸进程,这是多进程应用很容易碰到的问题。正常情况下,当一个进程创建了子进程后,它应该通过系统调用 wait() 或者 waitpid() 等待子进程结束,回收子进程的资源;而子进程在结束时,会向它的父进程发送 SIGCHLD 信号,所以,父进程还可以注册 SIGCHLD 信号的处理函数,异步回收资源。
如果父进程没这么做,或是子进程执行太快,父进程还没来得及处理子进程状态,子进程就已经提前退出,那这时的子进程就会变成僵尸进程。换句话说,父亲应该一直对儿子负责,善始善终,如果不作为或者跟不上,都会导致“问题少年”的出现。
通常,僵尸进程持续的时间都比较短,在父进程回收它的资源后就会消亡;或者在父进程退出后,由 init 进程回收后也会消亡。
一旦父进程没有处理子进程的终止,还一直保持运行状态,那么子进程就会一直处于僵尸状态。大量的僵尸进程会用尽 PID 进程号,导致新进程不能创建,所以这种情况一定要避免。
2 案例分析
接下来,我将用一个多进程应用的案例,带你分析大量不可中断状态和僵尸状态进程的问题。这个应用基于 C 开发,由于它的编译和运行步骤比较麻烦,我把它打包成了一个 Docker 镜像。这样,你只需要运行一个 Docker 容器就可以得到模拟环境。
2.1 准备
下面的案例仍然基于 Ubuntu 18.04,同样适用于其他的 Linux 系统。我使用的案例环境如下所示:
- 机器配置:2 CPU,8GB 内存
- 预先安装 docker、sysstat、dstat 等工具,如 apt install docker.io dstat sysstat
这里,dstat 是一个新的性能工具,它吸收了 vmstat、iostat、ifstat 等几种工具的优点,可以同时观察系统的 CPU、磁盘 I/O、网络以及内存使用情况。
接下来,我们打开一个终端,SSH 登录到机器上,并安装上述工具。
2.2 操作与分析
安装完成后,我们首先执行下面的命令运行案例应用:
1 | docker run --privileged --name=app -itd feisky/app:iowait |
然后,输入 ps 命令,确认案例应用已正常启动。如果一切正常,你应该可以看到如下所示的输出:
1 | ps aux | grep /app |
从这个界面,我们可以发现多个 app 进程已经启动,并且它们的状态分别是 Ss+ 和 D+。其中,S 表示可中断睡眠状态,D 表示不可中断睡眠状态,我们在前面刚学过,那后面的 s 和 + 是什么意思呢?不知道也没关系,查一下 man ps 就可以。现在记住,s 表示这个进程是一个会话的领导进程,而 + 表示前台进程组。
这里又出现了两个新概念,进程组和会话。它们用来管理一组相互关联的进程,意思其实很好理解。
- 进程组表示一组相互关联的进程,比如每个子进程都是父进程所在组的成员;
- 而会话是指共享同一个控制终端的一个或多个进程组。
比如,我们通过 SSH 登录服务器,就会打开一个控制终端(TTY),这个控制终端就对应一个会话。而我们在终端中运行的命令以及它们的子进程,就构成了一个个的进程组,其中,在后台运行的命令,构成后台进程组;在前台运行的命令,构成前台进程组。
明白了这些,我们再用 top 看一下系统的资源使用情况:
1 | # 按下数字 1 切换到所有 CPU 的使用情况,观察一会儿按 Ctrl+C 结束 |
从这里你能看出什么问题吗?细心一点,逐行观察,别放过任何一个地方。忘了哪行参数意思的话,也要及时返回去复习。
好的,如果你已经有了答案,那就继续往下走,看看跟我找的问题是否一样。这里,我发现了四个可疑的地方。
先看第一行的平均负载( Load Average),过去 1 分钟、5 分钟和 15 分钟内的平均负载在依次减小,说明平均负载正在升高;而 1 分钟内的平均负载已经达到系统的 CPU 个数,说明系统很可能已经有了性能瓶颈。
再看第二行的 Tasks,有 1 个正在运行的进程,但僵尸进程比较多,而且还在不停增加,说明有子进程在退出时没被清理。
接下来看两个 CPU 的使用率情况,用户 CPU 和系统 CPU 都不高,但 iowait 分别是 60.5% 和 94.6%,好像有点儿不正常。
最后再看每个进程的情况, CPU 使用率最高的进程只有 0.3%,看起来并不高;但有两个进程处于 D 状态,它们可能在等待 I/O,但光凭这里并不能确定是它们导致了 iowait 升高。
我们把这四个问题再汇总一下,就可以得到很明确的两点:
- 第一点,iowait 太高了,导致系统的平均负载升高,甚至达到了系统 CPU 的个数。
- 第二点,僵尸进程在不断增多,说明有程序没能正确清理子进程的资源。
我们在终端中运行 dstat 命令,观察 CPU 和 I/O 的使用情况:
1 | 间隔1秒输出10组数据 |
从 dstat 的输出,我们可以看到,每当 iowait 升高(wai)时,磁盘的读请求(read)都会很大。这说明 iowait 的升高跟磁盘的读请求有关,很可能就是磁盘读导致的。
从 dstat 的输出,我们可以看到,每当 iowait 升高(wai)时,磁盘的读请求(read)都会很大。这说明 iowait 的升高跟磁盘的读请求有关,很可能就是磁盘读导致的。
我们继续在刚才的终端中,运行 top 命令,观察 D 状态的进程:
1 | 观察一会儿按 Ctrl+C 结束 |
我们从 top 的输出找到 D 状态进程的 PID,你可以发现,这个界面里有两个 D 状态的进程,PID 分别是 4344 和 4345。
接着,我们查看这些进程的磁盘读写情况。对了,别忘了工具是什么。一般要查看某一个进程的资源使用情况,都可以用我们的老朋友 pidstat,不过这次记得加上 -d 参数,以便输出 I/O 使用情况。
比如,以 4344 为例,我们在终端里运行下面的 pidstat 命令,并用 -p 4344 参数指定进程号:
1 | -d 展示 I/O 统计数据,-p 指定进程号,间隔 1 秒输出 3 组数据 |
在这个输出中, kB_rd 表示每秒读的 KB 数, kB_wr 表示每秒写的 KB 数,iodelay 表示 I/O 的延迟(单位是时钟周期)。它们都是 0,那就表示此时没有任何的读写,说明问题不是 4344 进程导致的。
可是,用同样的方法分析进程 4345,你会发现,它也没有任何磁盘读写。
那要怎么知道,到底是哪个进程在进行磁盘读写呢?我们继续使用 pidstat,但这次去掉进程号,干脆就来观察所有进程的 I/O 使用情况。
在终端中运行下面的 pidstat 命令:
1 | 间隔 1 秒输出多组数据 (这里是 20 组) |
观察一会儿可以发现,的确是 app 进程在进行磁盘读,并且每秒读的数据有 32 MB,看来就是 app 的问题。不过,app 进程到底在执行啥 I/O 操作呢?
这里,我们需要回顾一下进程用户态和内核态的区别。进程想要访问磁盘,就必须使用系统调用,所以接下来,重点就是找出 app 进程的系统调用了。
strace 正是最常用的跟踪进程系统调用的工具。所以,我们从 pidstat 的输出中拿到进程的 PID 号,比如 6082,然后在终端中运行 strace 命令,并用 -p 参数指定 PID 号:
1 | strace -p 6082 |
这儿出现了一个奇怪的错误,strace 命令居然失败了,并且命令报出的错误是没有权限。按理来说,我们所有操作都已经是以 root 用户运行了,为什么还会没有权限呢?你也可以先想一下,碰到这种情况,你会怎么处理呢?
一般遇到这种问题时,我会先检查一下进程的状态是否正常。比如,继续在终端中运行 ps 命令,并使用 grep 找出刚才的 6082 号进程:
1 | ps aux | grep 6082 |
果然,进程 6082 已经变成了 Z 状态,也就是僵尸进程。僵尸进程都是已经退出的进程,所以就没法儿继续分析它的系统调用。关于僵尸进程的处理方法,我们一会儿再说,现在还是继续分析 iowait 的问题。
到这一步,你应该注意到了,系统 iowait 的问题还在继续,但是 top、pidstat 这类工具已经不能给出更多的信息了。这时,我们就应该求助那些基于事件记录的动态追踪工具了。
你可以用 perf top 看看有没有新发现。再或者,可以像我一样,在终端中运行 perf record,持续一会儿(例如 15 秒),然后按 Ctrl+C 退出,再运行 perf report 查看报告:
1 | perf record -g |
接着,找到我们关注的 app 进程,按回车键展开调用栈,你就会得到下面这张调用关系图:
这个图里的 swapper 是内核中的调度进程,你可以先忽略掉。
我们来看其他信息,你可以发现, app 的确在通过系统调用 sys_read() 读取数据。并且从 new_sync_read 和 blkdev_direct_IO 能看出,进程正在对磁盘进行直接读,也就是绕过了系统缓存,每个读请求都会从磁盘直接读,这就可以解释我们观察到的 iowait 升高了。
看来,罪魁祸首是 app 内部进行了磁盘的直接 I/O 啊!
下面的问题就容易解决了。我们接下来应该从代码层面分析,究竟是哪里出现了直接读请求。查看源码文件 [app.c](linux-perf-examples/app.c at master · feiskyer/linux-perf-examples (github.com)),你会发现它果然使用了 O_DIRECT 选项打开磁盘,于是绕过了系统缓存,直接对磁盘进行读写。
1 | open(disk, O_RDONLY|O_DIRECT|O_LARGEFILE, 0755) |
直接读写磁盘,对 I/O 敏感型应用(比如数据库系统)是很友好的,因为你可以在应用中,直接控制磁盘的读写。但在大部分情况下,我们最好还是通过系统缓存来优化磁盘 I/O,换句话说,删除 O_DIRECT 这个选项就是了。
app-fix1.c 就是修改后的文件,我也打包成了一个镜像文件,运行下面的命令,你就可以启动它了:
1 | 首先删除原来的应用 |
最后,再用 top 检查一下:
1 | top |
你会发现, iowait 已经非常低了,只有 0.3%,说明刚才的改动已经成功修复了 iowait 高的问题,大功告成!不过,别忘了,僵尸进程还在等着你。仔细观察僵尸进程的数量,你会郁闷地发现,僵尸进程还在不断的增长中。
僵尸进程
接下来,我们就来处理僵尸进程的问题。既然僵尸进程是因为父进程没有回收子进程的资源而出现的,那么,要解决掉它们,就要找到它们的根儿,也就是找出父进程,然后在父进程里解决。
父进程的找法我们前面讲过,最简单的就是运行 pstree 命令:
1 | -a 表示输出命令行选项 |
运行完,你会发现 3084 号进程的父进程是 4009,也就是 app 应用。
所以,我们接着查看 app 应用程序的代码,看看子进程结束的处理是否正确,比如有没有调用 wait() 或 waitpid() ,抑或是,有没有注册 SIGCHLD 信号的处理函数。
现在我们查看修复 iowait 后的源码文件 [app-fix1.c](linux-perf-examples/app-fix1.c at master · feiskyer/linux-perf-examples (github.com)) ,找到子进程的创建和清理的地方:
1 | int status = 0; |
循环语句本来就容易出错,你能找到这里的问题吗?这段代码虽然看起来调用了 wait() 函数等待子进程结束,但却错误地把 wait() 放到了 for 死循环的外面,也就是说,wait() 函数实际上并没被调用到,我们把它挪到 for 循环的里面就可以了。
修改后的文件我放到了 [app-fix2.c](linux-perf-examples/app-fix2.c at master · feiskyer/linux-perf-examples (github.com)) 中,也打包成了一个 Docker 镜像,运行下面的命令,你就可以启动它:
1 | 先停止产生僵尸进程的 app |
启动后,再用 top 最后来检查一遍:
1 | $ top |
好了,僵尸进程(Z 状态)没有了, iowait 也是 0,问题终于全部解决了。
小结
今天我们主要通过简单的操作,熟悉了几个必备的进程状态。用我们最熟悉的 ps 或者 top ,可以查看进程的状态,这些状态包括运行(R)、空闲(I)、不可中断睡眠(D)、可中断睡眠(S)、僵尸(Z)以及暂停(T)等。
其中,不可中断状态和僵尸状态,是我们今天学习的重点。
- 不可中断状态,表示进程正在跟硬件交互,为了保护进程数据和硬件的一致性,系统不允许其他进程或中断打断这个进程。进程长时间处于不可中断状态,通常表示系统有 I/O 性能问题。
- 僵尸进程表示进程已经退出,但它的父进程还没有回收子进程占用的资源。短暂的僵尸状态我们通常不必理会,但进程长时间处于僵尸状态,就应该注意了,可能有应用程序没有正常处理子进程的退出。
用一个多进程的案例,带你分析系统等待 I/O 的 CPU 使用率(也就是 iowait%)升高的情况。
虽然这个案例是磁盘 I/O 导致了 iowait 升高,不过, iowait 高不一定代表 I/O 有性能瓶颈。当系统中只有 I/O 类型的进程在运行时,iowait 也会很高,但实际上,磁盘的读写远没有达到性能瓶颈的程度。
因此,碰到 iowait 升高时,需要先用 dstat、pidstat 等工具,确认是不是磁盘 I/O 的问题,然后再找是哪些进程导致了 I/O。
等待 I/O 的进程一般是不可中断状态,所以用 ps 命令找到的 D 状态(即不可中断状态)的进程,多为可疑进程。但这个案例中,在 I/O 操作后,进程又变成了僵尸进程,所以不能用 strace 直接分析这个进程的系统调用。
这种情况下,我们用了 perf 工具,来分析系统的 CPU 时钟事件,最终发现是直接 I/O 导致的问题。这时,再检查源码中对应位置的问题,就很轻松了。
而僵尸进程的问题相对容易排查,使用 pstree 找出父进程后,去查看父进程的代码,检查 wait() / waitpid() 的调用,或是 SIGCHLD 信号处理函数的注册就行了。