SIGSTOP 信号初次发送导致进程暂停延迟问题深度解析

2024-12-21 10:17:35

SIGSTOP 信号首次发送导致的进程暂停延迟问题解析

在进行进程状态管理系统测试时，使用 SIGSTOP 信号暂停进程是一个常见做法。但是，有时会发现一个奇怪现象：第一次发送 SIGSTOP 信号后，目标进程状态虽然变为 "STOPPED"，但 CPU 使用率不会立即降为零，而是持续一段时间，然后停止执行。再次发送 SIGSTOP 信号到相同进程，CPU 使用率立即变为零，现象让人费解。

现象原因分析

这种现象，主要源于 Linux 内核对进程调度的处理机制以及缓存的行为，并非单纯信号本身问题。深入理解操作系统调度器是分析本现象的关键点。当进程首次接收到 SIGSTOP 信号时，即使状态转变为 “STOPPED”，内核并不会立即将其从运行队列中移除。进程控制块（PCB）会存在内存缓存中一段时间。直到发生下列情况，缓存信息被换出或被冲洗。

上下文切换: 当 CPU 资源需要分配给其他进程，则可能发生上下文切换，进而从 CPU 的运行队列中清除这个已暂停的进程的残留信息。
内存压力: 系统内存不足。此时内核将部分缓存数据写回磁盘。被停止进程相关的缓存被清理。
时间片耗尽: 尽管进程已停止，但是最初为其分配的时间片可能还未完全耗尽，存在一定的计算惯性。

第二次发送 SIGSTOP 信号之所以能使 CPU 使用率立即归零，可能是因为该进程的相关信息已被清除出缓存。进程已被操作系统完全暂停，不再被调度。这仅仅是一种可能性，进程暂停状态更新也是可能的原因。发送 SIGSTOP 信号后，系统并不会立刻清理该进程相关的缓存。缓存是提高性能的常见方式。初次暂停，该进程仍占据着缓存，有继续计算的可能。再次暂停，其所占资源被彻底释放。

解决及规避方法

针对以上情况，我们可以根据产生的原因对问题进行一些调整，以下列举几种解决该现象的方法：

方法一: 主动触发上下文切换

可以人为地触发一次上下文切换，加速已停止进程从 CPU 运行队列中移除。使用例如 sched_yield() 的方式是比较有效的方式，可主动放弃当前时间片。

原理: sched_yield() 函数主动让出 CPU，允许调度器选择另一个进程执行。这一操作可以迅速引起上下文切换，让之前停止的进程被更快速地被从运行队列清除。需要注意使用此函数的一些细微差异，防止产生问题。例如，确保当前进程未在独占处理关键的共享资源。

步骤:

在发送 SIGSTOP 信号后，立即调用 sched_yield() 函数。

代码示例 (C):

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <signal.h>
#include <sched.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc != 2) {
    fprintf(stderr, "Usage: %s <pid>\n", argv[0]);
    return 1;
  }

  pid_t pid = atoi(argv[1]);

  // 发送 SIGSTOP 信号
  if (kill(pid, SIGSTOP) == -1) {
    perror("kill");
    return 1;
  }

  printf("SIGSTOP sent to process %d\n", pid);

  // 主动让出 CPU
  if (sched_yield() == -1) {
    perror("sched_yield");
    return 1;
  }

  printf("CPU yielded\n");
  return 0;
}

方法二: 精细控制进程优先级

在操作系统调度策略的设定层面，考虑使用 nice 值或实时调度策略调整进程优先级。这样或许可以在首次接收 SIGSTOP 信号后尽快减少 CPU 占用。进程的暂停状态是确定的，CPU 占用也是一定的。但其执行受到操作系统调度，这存在不确定性。降低进程的优先级能够缓解其对 CPU 资源的竞争压力，减少此现象出现的频率和程度。

原理: 通过降低被停止进程的优先级，可以减少它被调度执行的机会。

操作步骤:

发送 SIGSTOP 前，使用 nice 命令降低进程优先级。或者通过 renice 命令来变更一个已运行的进程的nice值。

命令行指令:

发送 SIGSTOP 前:

nice -n 19 ./your_process_name

将进程的 nice 值调整为最低，即优先级最低。

发送 SIGSTOP 后:

renice -n 19 -p <pid>

更改指定进程（）的 nice 值为 19，可以按需改为想要设定的 nice 值。

可以使用chrt命令更改一个进程所属的调度类和/或实时优先级。

通过将进程设置为一个实时调度类，内核调度该类下的进程优先级时，会高于正常进程。

chrt -r -p 1 <pid>
这条命令，将指定的进程置为实时调度进程，并且优先级被设置为1。按需变更优先级的设定。

方法三：监视进程状态和资源利用率

监控进程暂停状态改变的延时，也是一个可以采取的方法。定期读取 /proc 文件系统中进程的特定数据是一种监控状态的可行手段。通过编写简单的 Shell 脚本来分析此目录。需要读取多个信息来判断进程的真实状态：

/proc/[pid]/stat: 读取此文件能够得到进程状态（例如，S 表示睡眠，R 表示运行）。
/proc/[pid]/status: 此文件能更方便的观察到进程的具体状态。文件中有类似 “State: S (sleeping)” 的字段内容可以查看。

需要明确的是，状态文件的信息也是动态变化的，受操作系统调度策略和进程行为影响。所以仅仅监测文件的值是不够的，需要结合时间进行判断。需要明确进程在什么时候发送的 SIGSTOP 信号。还需要多次、频繁的获取进程的状态。多次对比才能知道该进程真实的停止状态变化需要多长的时间。在编写进程暂停的延时监测代码中需要充分考虑性能问题。频繁的、非必须的读取 /proc 文件系统内容可能占用大量计算资源。

编程层面的注意事项：

无论是系统调用或是 shell 命令都需要谨慎操作，防止因为高频操作或处理不当而对性能和稳定造成危害。尤其当管理许多个关键业务进程时，任何暂停都有导致其性能或服务可用性的影响，任何操作的频率都需要进行周全的规划和严密的执行控制。

总结

信号的使用不只是停留在发出即可。为了更好利用信号的特性，我们应该全面且仔细地了解所用操作系统的工作机理。SIGSTOP 信号用于暂停进程。尽管看起来操作的结果很简单，只会出现目标进程的暂停。其对进程以及对操作系统整体而言影响更为复杂和广泛。第一次发送 SIGSTOP 信号可能不会立即让进程的 CPU 使用率降为零，因为一些机制的存在：上下文切换机制、内核缓存管理机制等。第二次发送通常能使 CPU 使用率立即下降到零。我们可以选择不同的策略应对第一次信号发出之后出现的特殊现象：例如主动触发上下文切换，或调整进程的优先级等方法可以缓解现象，在编写代码时一定要根据需求充分评估，进行细致的操作。