文章目录
- 一、进程状态
- 1.1 iowait 分析
- 1.2 僵尸进程
- 1.3 小结
短时应用的运行时间比较短，很难在 top 或者 ps 这类展示系统概要和进程快照的工具中发现，你需要使用记录事件的工具来配合诊断，比如 execsnoop 或者 perf top。
讲到 CPU 使用率的类型。除了用户 CPU 之外，还包括系统 CPU（比如上下文切换）、等待 I/O 的 CPU（比如等待磁盘的响应）以及中断 CPU（包括软中断和硬中断）等。
我们已经在上下文切换的文章中，一起分析了系统 CPU 使用率高的问题，剩下的等待 I/O 的 CPU 使用率（以下简称为 iowait）升高，也是最常见的一个服务器性能问题。今天我们就来看一个多进程 I/O 的案例，并分析这种情况。
一、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 命令的输出中可看到它们都处于 D 状态，也就是不可中断状态（Uninterruptible Sleep）。
top 和 ps 是最常用的查看进程状态的工具，其 S 列（也就是 Status 列）表示进程的状态，其有 R、D、Z、S、I 等几个状态，含义如下：
- 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。
- 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。
- Z 是 Zombie 的缩写，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）。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
$ top
PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND
28961 root 20 0 43816 3148 4040 R 3.2 0.0 0:00.01 top
620 root 20 0 37280 33676 908 D 0.3 0.4 0:00.01 app
1 root 20 0 160072 9416 6752 S 0.0 0.1 0:37.64 systemd
1896 root 20 0 0 0 0 Z 0.0 0.0 0:00.00 devapp
2 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:00.10 kthreadd
4 root 0 -20 0 0 0 I 0.0 0.0 0:00.00 kworker/0:0H
6 root 0 -20 0 0 0 I 0.0 0.0 0:00.00 mm_percpu_wq
7 root 20 0 0 0 0 S 0.0 0.0 0:06.37 ksoftirqd/0
docker 镜像见
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。）
# 安装完成后，我们首先执行下面的命令运行案例应用：
$ 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：
$ ps aux | grep /app
root 4009 0.0 0.0 4376 1008 pts/0 Ss+ 05:51 0:00 /app
root 4287 0.6 0.4 37280 33660 pts/0 D+ 05:54 0:00 /app
root 4288 0.6 0.4 37280 33668 pts/0 D+ 05:54 0:00 /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
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。
- 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：
# 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
$ top
top - 05:56:23 up 17 days, 16:45, 2 users, load average: 2.00, 1.68, 1.39
Tasks: 247 total, 1 running, 79 sleeping, 0 stopped, 115 zombie
%Cpu0 : 0.0 us, 0.7 sy, 0.0 ni, 38.9 id, 60.5 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
%Cpu1 : 0.0 us, 0.7 sy, 0.0 ni, 4.7 id, 94.6 wa, 0.0 hi, 0.0 si, 0.0 st
...
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
1 root 20 0 160072 9416 6752 S 0.0 0.1 0:38.59 systemd
...
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。
那么，碰到这两个问题该怎么办呢？我们继续分解：
1.1 iowait 分析
我们先来看一下 iowait 升高的问题。
我相信，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？我推荐 dstat ，它可以同时查看 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。一般要查看某一个进程的资源使用情况，都可以用 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。
1.2 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, 如下：
int i = 0;
for (;;)
{
for (i = 0; i < 2; i++){
if (fork() == 0){
sub_process(disk, buffer_size, buffer_count);
}
}
while (wait(&status) > 0);
sleep(5);
}
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
...
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。
1.3 小结
今天我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。
