Linux：查询当前进程或线程的资源使用情况

一、/proc/[PID]/下的各个文件

1、proc简介

/proc 目录是一个特殊的虚拟文件系统，它提供了对内核运行时信息的访问，包括进程、设备、网络、文件系统等各个方面的信息。它不是一个真正的文件系统，而是基于内核数据结构的一个接口，通过这个接口可以获取系统的运行时状态。

下面是 /proc 目录的一些重要子目录和关键内容的说明：

/proc/[PID]：此目录以进程的 ID（PID）命名，并包含与该进程有关的文件和目录，如之前所讲的 /proc/pid/目录。
/proc/cpuinfo：该文件包含有关 CPU（处理器）的信息，如厂商、型号、频率、缓存等。
/proc/meminfo：该文件包含有关系统内存的信息，如总内存、可用内存、缓存、交换分区等。
/proc/mounts：此文件列出了系统上已挂载的文件系统，包括文件系统类型、挂载点、挂载选项等信息。
/proc/net：此目录包含有关网络协议、接口和连接的信息，如 /proc/net/tcp、/proc/net/udp 等文件。
/proc/sys：此目录包含与内核参数和系统配置相关的文件。可以通过读写这些文件来修改内核的运行时行为。
/proc/version：该文件包含了当前正在运行的内核版本信息。
/proc/cmdline：此文件包含了系统引导时传递给内核的命令行参数。
/proc/uptime：该文件包含自系统开机以来的运行时间和空闲时间。
/proc/sys/kernel/hostname：此文件包含主机的名称（hostname）。

除了上述目录和文件，/proc 目录下还有很多其他文件和目录，涵盖了系统和进程的各个方面的信息。

需要注意的是，/proc 目录下的文件是动态生成的，信息在进程运行时改变。读取这些文件时，请确保有足够的权限，并理解每个文件的含义和用途。此外，不要轻易对 /proc 目录下的文件进行修改，因为这可能会导致系统不稳定或损坏。

2、/proc/[PID]/详解

在这里插入图片描述

arch_status: 该文件包含了有关进程所运行的指令集架构的信息。例如，它可以显示进程在x86或ARM架构上运行。
attr: 此目录包含与进程关联的文件、目录和进程的访问控制列表（ACL）信息。这些文件和目录的访问权限可以在这里进行管理和修改。
autogroup: 这个文件显示了进程是否被自动控制分组，以限制对CPU资源的访问。如果进程分配给自动控制分组，则该文件中的值为"1"；否则，为"0"。
auxv: 此文件包含了进程的辅助向量信息，这些信息在加载动态链接器时向其传递参数。辅助向量为动态链接器提供有关进程环境和运行状态的信息。
cgroup: 该文件显示了进程所属的控制组（cgroup）的路径。控制组是一种组织和限制进程资源使用的方式。
cmdline: 该文件包含了启动进程时使用的命令行参数，以null字符分隔各个参数。可以通过读取该文件来获取进程的命令行参数信息。
comm: 进程的命令名可以通过这个文件获得。它可以是可执行文件名或进程自描述。
coredump_filter:这个文件决定了进程在发生崩溃时生成核心转储（core dump）的内容。通过修改该文件的值，可以控制生成核心转储时包含的内容，这对于调试崩溃问题非常有用。可以使用 echo 命令将特定的值写入这个文件中，以修改核心转储的行为。
cpu_resctrl_groups:这个文件是与 CPU 资源控制（Resource Control）相关的，用于管理进程对CPU资源的使用。通过这个文件，可以查询或配置进程关联的 CPU ResCtrl（CPU资源控制）组的信息。CPU资源控制是用于管理和限制进程对CPU资源的访问的一种技术，可以实现资源隔离、分配和监控。
cwd: 这是一个符号链接，指向进程的当前工作目录（current working directory）。
environ: 该文件包含了进程的环境变量，以null字符分隔各个环境变量。通过读取该文件，可以获取进程的环境变量信息。
cpuset: 这个文件包含了进程所属的 cpuset（CPU affinity）的信息，可以用于管理进程所能使用的 CPU 核心。通过这个文件，可以查询或设置进程所在的 cpuset。
exe:这是一个符号链接，指向进程正在执行的可执行文件。通过读取这个符号链接，可以获取进程当前正在执行的可执行文件的路径。
fdinfo: 这个目录包含了关于进程打开的文件描述符（file descriptor）的详细信息，如文件的偏移量（offset）等。
gid_map:这个文件用于表示进程的实际组ID（GID）与其用户命名空间中的GID之间的映射关系。
io:这个文件包含了有关进程的输入/输出统计信息，如读取和写入的字节数、I/O操作次数等。
limits:这个文件包含了对进程资源限制的报告，显示了一些限制项目的值，比如内存限制、文件大小限制等。
loginuid:这个文件记录了与进程关联的登录用户ID（login UID）。
map_files:这个目录包含了进程打开的映射文件的相关信息，可以用于查询进程当前使用的文件映射情况。
fd: 此目录包含了进程打开的文件描述符（file descriptor）的符号链接。可以通过查看这些符号链接来获取进程打开的文件等信息。
maps: 该文件包含有关进程内存映射的信息，包括进程的内存地址范围、映射的文件等。
mounts: 此文件显示了进程的挂载点信息，包括进程当前挂载的各个文件系统的详细数据。
mem:这个文件允许对进程的内存空间进行直接访问，可以用于调试、内存分析等目的。
mountinfo:这个文件提供了有关进程所挂载的文件系统的详细信息，包括挂载点、挂载选项等。
mountstats: 此文件包含了有关挂载点的统计信息，如 I/O 统计等。
net:目录包含了一系列与网络相关的文件和子目录，可以用于查询进程的网络连接、端口等信息。
ns:这个目录包含了进程的各种命名空间相关的符号链接，可以用于查询和操作进程的命名空间。
numa_maps:这个文件包含了有关进程内存使用和NUMA节点分布情况的信息，对于了解进程的NUMA相关性非常有用。
oom_adj:这个文件包含了与进程的OOM（Out Of Memory）分级相关的信息，用于调整进程在内存不足情况下被系统杀死的优先级。
oom_score:这个文件包含了进程的OOM分数，用于在系统内存不足时选择性地终止进程。
oom_score_adj:与 oom_adj 类似，这个文件也用于调整进程在内存不足情况下被系统杀死的优先级。
pagemap:这个文件提供了有关进程虚拟内存页面到物理内存帧的映射信息，对于内存管理方面的深入了解非常有用。
patch_state:这个文件包含了有关进程的内核安全补丁状态的信息，通常用于安全审计和补丁管理。
personality: 这个文件包含了与进程的运行环境和虚拟机架构相关的信息，用于指定进程的特定行为。
projid_map:在用户命名空间中使用的文件，用于表示进程实际项目ID（Project ID）与其用户命名空间中的项目ID之间的映射关系。
root:这是一个符号链接，指向进程的根目录。
sched:这个文件提供了与进程调度策略和优先级相关的信息，包括当前调度策略、优先级等。
schedstat:这个文件包含了与进程调度统计相关的信息，如运行时间、等待时间等。
sessionid:这个文件记录了与进程关联的会话ID。
setgroups:这个文件包含了与进程的附加组（supplementary group）相关的信息。
smaps:这个文件提供了详细的进程内存映射信息，包括每个内存区域的权限、大小、映射文件等。
smaps_rollup: 类似于 smaps 文件，但提供了按文件和库合并的内存映射信息，用于更简洁的内存分析。
stack:这个文件记录了进程的当前栈的内容。
stat: 这个文件提供了与进程状态相关的信息，如进程ID、父进程ID、运行状态等。
statm:这个文件提供了与进程内存使用量相关的信息，包括进程的总内存、共享内存、库内存、堆内存等。
status:这个文件提供了有关进程的多种信息，包括进程状态、内存使用、文件描述符等。
syscall:这个目录包含与进程相关的系统调用信息，可以用于跟踪和分析进程的系统调用。
task:这个目录包含了进程的所有线程（task）的信息。
timens_offsets:这个文件提供了与进程关联的时间命名空间偏移量的信息，用于跟踪进程的时间命名空间变化。
timers:这个目录包含了与进程相关的定时器的信息，如定时器ID、时间值等。
timerslack_ns:这个文件包含了与进程的定时器松弛值（timerslack）有关的信息，用于调整进程的定时行为。
uid_map:这个文件用于表示进程的实际用户ID（UID）与其用户命名空间中的UID之间的映射关系。
wchan:是一个用于描绘一个进程在等待什么的内核函数指针。它表示了进程当前正在等待的内核函数或系统调用。可用于调试和分析进程的等待状态。

这些文件和目录提供了关于特定进程的多种信息，如进程状态、资源使用情况、环境变量等，通常被用于性能调优、调试以及资源管理方面，对于普通用户来说可能并不经常需要直接操作这些文件。通过读取这些文件，可以了解并监视系统中各个进程的情况。请注意，有些文件是符号链接，需要使用readlink或ls -l等命令来获取其指向的真实路径。

知识补充：
命名空间（Namespace）在Linux系统中是一种用于隔离系统资源的机制。它允许在同一台物理机上创建多个隔离的环境，每个环境可以拥有自己独立的资源实例，例如进程ID、挂载点、网络、用户等。这种隔离使得不同的进程能够在同一系统上运行，而彼此之间互不干扰。

在Linux中，有多种类型的命名空间，包括但不限于以下几种：

PID 命名空间（PID Namespace）：使得进程拥有自己独立的进程ID空间，进程在不同的PID命名空间中可以拥有相同的PID而不会相互影响。
挂载命名空间（Mount Namespace）：使得进程拥有独立的文件系统挂载点，不同的挂载命名空间中可以有不同的文件系统视图。
网络命名空间（Network Namespace）：允许每个命名空间中拥有独立的网络设备、IP地址等网络资源，实现网络隔离。
IPC 命名空间（IPC Namespace）：用于隔离进程间通信资源，如消息队列和共享内存等。
UTS 命名空间（UTS Namespace）：用于隔离系统标识，如主机名等。
用户命名空间（User Namespace）：允许分配不同的用户和组ID给进程，从而实现用户隔离。

通过使用命名空间，容器技术得以实现，并且不同的容器可以在相互隔离的环境中运行，从而实现更高效的资源利用和更好的安全性。

二、通过Linux API获取当前进程或线程的资源使用情况

要获取当前进程或线程的资源使用情况，可以使用Linux提供的一些系统调用或API。以下是一些常用的方法：

1、getrusage

getrusage 是一个用于获取进程或线程的资源使用情况的系统调用函数，在 Linux 系统中的头文件 <sys/resource.h> 中定义。

#include <sys/time.h>
#include <sys/resource.h>

int getrusage(int who, struct rusage *usage);

参数who用于指定获取资源使用情况的对象，包括以下两个选项：

RUSAGE_SELF: 获取当前进程的资源使用情况。
RUSAGE_CHILDREN: 获取当前进程创建的所有子进程的资源使用情况的汇总信息。

参数 usage 是一个指向 struct rusage 结构体的指针，用于存储获取到的资源使用情况信息。

//struct rusage 结构体包含了一系列字段，用于表示不同类型的资源使用情况
struct rusage {
    struct timeval ru_utime; /* user CPU time used */
    struct timeval ru_stime; /* system CPU time used */
    long   ru_maxrss;        /* maximum resident set size */
    long   ru_ixrss;         /* integral shared memory size */
    long   ru_idrss;         /* integral unshared data size */
    long   ru_isrss;         /* integral unshared stack size */
    long   ru_minflt;        /* page reclaims (soft page faults) */
    long   ru_majflt;        /* page faults (hard page faults) */
    long   ru_nswap;         /* swaps */
    long   ru_inblock;       /* block input operations */
    long   ru_oublock;       /* block output operations */
    long   ru_msgsnd;        /* IPC messages sent */
    long   ru_msgrcv;        /* IPC messages received */
    long   ru_nsignals;      /* signals received */
    long   ru_nvcsw;         /* voluntary context switches */
    long   ru_nivcsw;        /* involuntary context switches */
};

ru_utime：用户级别的 CPU 时间（执行用户程序的时间）。
ru_stime：系统级别的 CPU 时间（执行系统调用的时间）。
ru_maxrss：进程最大的常驻内存大小（以 KB 为单位）。
ru_ixrss：进程的共享内存大小。
ru_idrss：进程的非共享数据段的大小。
ru_isrss：进程的栈大小。
ru_minflt：产生的次缺页错误（对不存在的内存页面发生的访问，需要从硬盘加载）。
ru_majflt：产生的主缺页错误（必须从硬盘加载数据）。
ru_nswap：发生的交换次数（从内存到磁盘或反之）。
ru_inblock：从块设备读取的次数。
ru_oublock：向块设备写入的次数。
ru_msgsnd：发送的消息数。
ru_msgrcv：接收的消息数。
ru_nsignals：发出的信号数。
ru_nvcsw：从等待状态唤醒的上下文切换次数（通过虚拟终端 I/O、文件系统路径名查找、等待 CPU 时间等方式）。
ru_nivcsw：无法满足进程需求而导致的上下文切换次数。

这些资源使用情况信息对于进程性能分析和系统监控非常有用。getrusage 函数返回的资源使用情况是关于当前进程或线程的信息。要获取其他进程的资源使用情况，需要使用相应的进程相关的系统调用（如 wait4），并将返回的 rusage 结构体作为参数传递给 wait4。

wait4 是一个用于等待子进程结束并获取其状态信息的系统调用函数。在 Linux 系统中的头文件 <sys/wait.h> 中定义。wait4 函数的原型为：

pid_t wait4(pid_t pid, int *status, int options, struct rusage *rusage);

其中参数含义如下：

pid：指定要等待的子进程的 ID。传入 -1 表示等待任意子进程结束。
status：用于获取子进程的退出状态信息。
options：用于指定等待的选项，包括一些控制子进程状态获取行为的选项。
rusage：用于获取子进程的资源使用情况信息，即上一条回答中提到的 struct rusage 结构体。

wait4 函数会阻塞父进程，直到指定的子进程结束。当子进程结束后，父进程将获得子进程的退出状态信息存储在 status 中，并且如果传入了 rusage 参数，则会获取子进程的资源使用情况信息。

通常情况下，wait4 函数与 fork 函数结合使用，父进程通过 fork 创建子进程，然后通过 wait4 等待子进程结束，并获取其状态信息。这样可以实现父子进程之间的同步和协作。

#include <sys/resource.h>

int main() {
    struct rusage usage;

    getrusage(RUSAGE_SELF, &usage);

    // 打印CPU时间
    printf("CPU时间: %ld.%06ld 秒\n", usage.ru_utime.tv_sec, usage.ru_utime.tv_usec);

    // 打印最大使用的内存
    printf("最大内存使用量: %ld 字节\n", usage.ru_maxrss);

    // 其他资源使用情况，可以在usage结构体中查看
    // ...

    return 0;
}

2、sysinfo

sysinfo 是一个用于获取系统信息的系统调用函数，在 Linux 系统中的头文件 <sys/sysinfo.h> 中定义。函数原型如下：

int sysinfo(struct sysinfo *info);

参数 info 是一个指向 struct sysinfo 结构体的指针，用于存储获取到的系统信息。

//Since Linux 2.3.23 (i386) and Linux 2.3.48 (all architectures) the structure is:
struct sysinfo {
    long uptime;             /* Seconds since boot */
    unsigned long loads[3];  /* 1, 5, and 15 minute load averages */
    unsigned long totalram;  /* Total usable main memory size */
    unsigned long freeram;   /* Available memory size */
    unsigned long sharedram; /* Amount of shared memory */
    unsigned long bufferram; /* Memory used by buffers */
    unsigned long totalswap; /* Total swap space size */
    unsigned long freeswap;  /* Swap space still available */
    unsigned short procs;    /* Number of current processes */
    unsigned long totalhigh; /* Total high memory size */
    unsigned long freehigh;  /* Available high memory size */
    unsigned int mem_unit;   /* Memory unit size in bytes */
    char _f[20-2*sizeof(long)-sizeof(int)]; /* Padding to 64 bytes */
};

long uptime：系统已经运行的时间（以秒为单位）。
unsigned long loads[3]：系统的平均负载值，分别代表过去1分钟、5分钟和15分钟的平均负载。这些值是无符号长整型数，表示了负载值乘以 2^16 的结果。
unsigned long totalram：系统总共的物理内存大小（以字节为单位）。
unsigned long freeram：系统可用的物理内存大小（以字节为单位）。
unsigned long sharedram：被共享的物理内存大小（以字节为单位）。
unsigned long bufferram：被用作缓冲区的物理内存大小（以字节为单位）。
unsigned long totalswap：交换空间的总大小（以字节为单位）。
unsigned long freeswap：可用的交换空间大小（以字节为单位）。
unsigned short procs：当前进程数量。
unsigned long totalhigh：可用的高位内存大小（以字节为单位）。
unsigned long freehigh：空闲的高位内存大小（以字节为单位）。
unsigned int mem_unit：内存单元大小（以字节为单位）。

sysinfo 函数的返回值为 0 表示成功，-1 表示失败，并且可以通过 errno 来获取具体错误信息。

#include <sys/sysinfo.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    struct sysinfo info;

    sysinfo(&info);

    // 打印总内存大小
    printf("总内存大小: %ld 字节\n", info.totalram * info.mem_unit);

    // 打印已使用内存大小
    printf("已使用内存大小: %ld 字节\n", (info.totalram - info.freeram) * info.mem_unit);

    // 其他资源使用情况，可以在info结构体中查看
    // ...

    return 0;
}

在struct sysinfo 结构体中，loads 数组中的数值表示了负载值乘以 2^16 的结果，这是因为 sysinfo 结构体中的 loads 数组使用了 unsigned long 类型。

在 Linux 内核中，负载值是以固定点数的格式表示的，使用了定点数表示方式来保留小数部分。在这里，每个负载值都被乘以了 2^16（65536），以便将小数部分转换为整数。

这种表示方式的好处在于，它可以比较精确地表示系统的负载情况，同时又不需要使用浮点数来表示，因为浮点数的运算会耗费相对更多的 CPU 时间。通过将负载值乘以一个固定的倍数（2^16），可以在不牺牲太多精度的情况下，使用整数进行表示和计算，这样会更高效。

当我们从 struct sysinfo 结构体中获取负载值时，需要将其除以 2^16 来得到真实的负载值。例如，在上面的示例代码中，打印负载值时并没有除以 2^16，因此实际的负载值应当是 info.loads[x] / 65536 才能得到系统的实际负载情况。

总之，通过将负载值乘以 2^16 来表示，Linux 内核可以在保持较高精度的同时，使用更高效的整数表示方式，用于存储和计算系统的负载情况。

3、times

times 函数是一个用于获取进程和子进程的系统和用户 CPU 时间的系统调用，其原型如下：

#include <sys/times.h>

clock_t times(struct tms *buf);

buf 是一个指向 tms 结构的指针，它用来存储 CPU 时间的信息。

struct tms 结构包含了进程和子进程的 CPU 时间信息，其定义如下：

struct tms {
    clock_t tms_utime;  // 进程在用户态花费的时间
    clock_t tms_stime;  // 进程在内核态花费的时间
    clock_t tms_cutime; // 所有已终止子进程在用户态花费的时间
    clock_t tms_cstime; // 所有已终止子进程在内核态花费的时间
};

tms_utime 表示进程在用户态花费的 CPU 时间。
tms_stime 表示进程在内核态花费的 CPU 时间。
tms_cutime 表示所有已终止子进程在用户态花费的 CPU 时间。
tms_cstime 表示所有已终止子进程在内核态花费的 CPU 时间。

示例代码如下所示，演示了如何使用 times 函数来获取进程的 CPU 时间信息：

#include <stdio.h>
#include <sys/times.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    struct tms tms_buf;
    clock_t start, end;

    // 获取起始时间
    start = times(&tms_buf);
    printf("Starting time: %ld\n", start);

    // 模拟一些工作
    for (int i = 0; i < 100000000; ++i) {
        // do something
    }

    // 获取结束时间
    end = times(&tms_buf);
    printf("Ending time: %ld\n", end);

    // 计算 CPU 时间消耗
    clock_t user_time = tms_buf.tms_utime;
    clock_t sys_time = tms_buf.tms_stime;
    printf("User CPU time: %ld\n", user_time);
    printf("System CPU time: %ld\n", sys_time);

    return 0;
}