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8.应对系统中出现大量不可中断进程和僵尸进程（…

2018-12-11 09:03:01来源：博客园阅读 ()

上一篇， Linux 进程状态的含义，以及不可中断进程和僵尸进程产生的原因。使用 ps 或者 top 可以查看进程的状态，这些状态包括运行、空闲、不可中断睡眠、可中断睡眠、僵尸以及暂停等。

其中，重点是不可中断状态和僵尸进程：

不可中断状态，一般表示进程正在跟硬件交互，为了保护进程数据与硬件一致，系统不允许其他进程或中断打断该进程。
僵尸进程表示进程已经退出，但它的父进程没有回收该进程所占用的资源。

上一篇的最后，用一个案例展示了处于这两种状态的进程。通过分析 top 命令的输出，发现了两个问题：

第一，iowait 太高了，导致系统平均负载升高，并且已经达到了系统 CPU 的个数。
第二，僵尸进程在不断增多，看起来是应用程序没有正确清理子进程的资源。

思考这两个问题，那么，真相到底是什么呢？顺着这两个问题继续分析，找出根源。

首先，请你打开一个终端，登录到上次的机器中。然后执行下面的命令，重新运行这个案例：

# 先删除上次启动的案例
$ docker rm -f app
# 重新运行案例
$ docker run --privileged --name=app -itd feisky/app:iowait

iowait 分析

先来看一下 iowait 升高的问题。

一提到 iowait 升高，你首先会想要查询系统的 I/O 情况。我一般也是这种思路，那么什么工具可以查询系统的 I/O 情况呢？

这里，推荐的正是上节课要求安装的 dstat ，它的好处是，可以同时查看 CPU 和 I/O 这两种资源的使用情况，便于对比分析。

那么，我们在终端中运行 dstat 命令，观察 CPU 和 I/O 的使用情况：

# 间隔 1 秒输出 10 组数据
$ dstat 1 10
You did not select any stats, using -cdngy by default.
--total-cpu-usage-- -dsk/total- -net/total- ---paging-- ---system--
usr sys idl wai stl| read writ| recv send| in out | int csw
 0 0 96 4 0|1219k 408k| 0 0 | 0 0 | 42 885
 0 0 2 98 0| 34M 0 | 198B 790B| 0 0 | 42 138
 0 0 0 100 0| 34M 0 | 66B 342B| 0 0 | 42 135
 0 0 84 16 0|5633k 0 | 66B 342B| 0 0 | 52 177
 0 3 39 58 0| 22M 0 | 66B 342B| 0 0 | 43 144
 0 0 0 100 0| 34M 0 | 200B 450B| 0 0 | 46 147
 0 0 2 98 0| 34M 0 | 66B 342B| 0 0 | 45 134
 0 0 0 100 0| 34M 0 | 66B 342B| 0 0 | 39 131
 0 0 83 17 0|5633k 0 | 66B 342B| 0 0 | 46 168
 0 3 39 59 0| 22M 0 | 66B 342B| 0 0 | 37 134

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。

那到底是哪个进程在读磁盘呢？不知道你还记不记得，上节在 top 里看到的不可中断状态进程，我觉得它就很可疑，我们试着来分析下。

我们继续在刚才的终端中，运行 top 命令，观察 D 状态的进程：

# 观察一会儿按 Ctrl+C 结束
$ top
...
 PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
 4340 root 20 0 44676 4048 3432 R 0.3 0.0 0:00.05 top
 4345 root 20 0 37280 33624 860 D 0.3 0.0 0:00.01 app
 4344 root 20 0 37280 33624 860 D 0.3 0.4 0:00.01 app
...

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：

# -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
$ pidstat -d -p 4344 1 3
06:38:50 UID PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay Command
06:38:51 0 4344 0.00 0.00 0.00 0 app
06:38:52 0 4344 0.00 0.00 0.00 0 app
06:38:53 0 4344 0.00 0.00 0.00 0 app

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：

# 间隔 1 秒输出多组数据 (这里是 20 组)
$ pidstat -d 1 20
...
06:48:46 UID PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay Command
06:48:47 0 4615 0.00 0.00 0.00 1 kworker/u4:1
06:48:47 0 6080 32768.00 0.00 0.00 170 app
06:48:47 0 6081 32768.00 0.00 0.00 184 app
06:48:47 UID PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay Command
06:48:48 0 6080 0.00 0.00 0.00 110 app
06:48:48 UID PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay Command
06:48:49 0 6081 0.00 0.00 0.00 191 app
06:48:49 UID PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay Command
06:48:50 UID PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay Command
06:48:51 0 6082 32768.00 0.00 0.00 0 app
06:48:51 0 6083 32768.00 0.00 0.00 0 app
06:48:51 UID PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay Command
06:48:52 0 6082 32768.00 0.00 0.00 184 app
06:48:52 0 6083 32768.00 0.00 0.00 175 app
06:48:52 UID PID kB_rd/s kB_wr/s kB_ccwr/s iodelay Command
06:48:53 0 6083 0.00 0.00 0.00 105 app
...

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：

$ strace -p 6082
strace: attach: ptrace(PTRACE_SEIZE, 6082): Operation not permitted

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：

$ ps aux | grep 6082
root 6082 0.0 0.0 0 0 pts/0 Z+ 13:43 0:00 [app] <defunct>

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：

$ perf record -g
$ perf report

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，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。

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：

# 首先删除原来的应用
$ docker rm -f app
# 运行新的应用
$ docker run --privileged --name=app -itd feisky/app:iowait-fix1

最后，再用 top 检查一下：

$ top
top - 14:59:32 up 19 min, 1 user, load average: 0.15, 0.07, 0.05
Tasks: 137 total, 1 running, 72 sleeping, 0 stopped, 12 zombie
%Cpu0 : 0.0 us, 1.7 sy, 0.0 ni, 98.0 id, 0.3 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu1 : 0.0 us, 1.3 sy, 0.0 ni, 98.7 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
...
 PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
 3084 root 20 0 0 0 0 Z 1.3 0.0 0:00.04 app
 3085 root 20 0 0 0 0 Z 1.3 0.0 0:00.04 app
 1 root 20 0 159848 9120 6724 S 0.0 0.1 0:09.03 systemd
 2 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.00 kthreadd
 3 root 20 0 0 0 0 I 0.0 0.0 0:00.40 kworker/0:0
...

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：

# -a 表示输出命令行选项
# p 表 PID
# s 表示指定进程的父进程
$ pstree -aps 3084
systemd,1
 └─dockerd,15006 -H fd://
     └─docker-containe,15024 --config /var/run/docker/containerd/containerd.toml
         └─docker-containe,3991 -namespace moby -workdir...
             └─app,4009
                 └─(app,3084)

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 ，找到子进程的创建和清理的地方：

int status = 0;
 for (;;) {
   for (int i = 0; i < 2; i++) {
     if(fork()== 0) {
       sub_process();
     }
   }
   sleep(5);
 }

 while(wait(&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 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：

# 先停止产生僵尸进程的 app
$ docker rm -f app
# 然后启动新的 app
$ docker run --privileged --name=app -itd feisky/app:iowait-fix2

启动后，再用 top 最后来检查一遍：

$ top
top - 15:00:44 up 20 min, 1 user, load average: 0.05, 0.05, 0.04
Tasks: 125 total, 1 running, 72 sleeping, 0 stopped, 0 zombie
%Cpu0 : 0.0 us, 1.7 sy, 0.0 ni, 98.3 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu1 : 0.0 us, 1.3 sy, 0.0 ni, 98.7 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
...
 PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
 3198 root 20 0 4376 840 780 S 0.3 0.0 0:00.01 app
 2 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.00 kthreadd
 3 root 20 0 0 0 0 I 0.0 0.0 0:00.41 kworker/0:0
...